KR20170070239A - Interfacial layers for solid-state batteries and methods of making same - Google Patents
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Abstract
고체상 전해질 및 하이브리드 전해질 물질과 접촉하는 하나 이상의 계면층은 무기 (예를 들면, 금속 산화물 및 연질의 무기 물질) 또는 유기 물질 (예를 들면, 폴리머 물질, 겔 물질 및 이온 전도성 액체)을 포함한다. 계면층은 캐소드 및/또는 애노드와 고체상 전해질 사이의 계면의 전기적 특성을 향상(예를 들면, 임피던스를 감소)시킬 수 있다. 계면층은, 예를 들면, 고체상 배터리 (예를 들면, 고체상 이온 전도성 배터리)에서 사용될 수 있다.One or more interfacial layers in contact with the solid electrolyte and the hybrid electrolyte material include inorganic (e.g., metal oxides and soft inorganic materials) or organic materials (e.g., polymer materials, gel materials and ionic conductive liquids). The interface layer can improve the electrical properties of the interface between the cathode and / or the anode and the solid electrolyte (e.g., reduce the impedance). The interface layer can be used, for example, in a solid state battery (e.g., a solid phase ion conductive battery).
Description
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본 출원은 2014년 10월 28일에 출원하고 미국 출원 제62/069,748호에 할당된 가 특허 출원 및 2015년 3월 12일에 출원하고 미국 출원 제62/131,955호에 할당된 가 특허 출원에 대한 우선권을 주장하고, 개시내용은 참고로 본원에 포함된다.This application claims the benefit of priority to U.S. Patent Application No. 62 / 069,748, filed October 28, 2014, and assigned to U.S. Patent Application No. 62 / 069,748, filed March 12, 2015, and U.S. Patent Application No. 62 / 131,955, The disclosure of which is incorporated herein by reference.
연방정부 후원에 의한 연구 또는 개발에 관한 진술Statement on research or development by federal sponsorship
본 개시내용은 에너지부에 의해서 수상한 DEAR0000384 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 개시내용의 특정한 권리를 갖는다.This disclosure was made with government support under DEAR0000384, which was awarded by the Department of Energy. The Government has certain rights in this disclosure.
기술분야Technical field
본 개시내용은 고체상 배터리용 계면층에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시내용은 배터리의 고체상 전해질과 캐소드 및/또는 애노드 사이의 계면층에 관한 것이다.This disclosure relates to an interface layer for a solid state battery. Specifically, the present disclosure relates to an interfacial layer between a solid electrolyte and a cathode and / or an anode of a battery.
고체상 리튬 배터리 (SSLiBs)는, 연소성 액체 전해질을 포함하는 종래의 리튬(Li)-이온 배터리에서 낮은 안정성, 제한된 전압, 불안정한 고체 전해질 상간(SEI) 형성 및 낮은 사이클링 성능과 같은 직면한 주요 문제에 대한 잠재적인 해결책을 제공한다. 고체상 전해질(SSE)은, 다양한 고체상 배터리를 성공적으로 개발하기 위한 가능한 물질이고, 다양한 고체상 배터리는, 전기 비히클 용도의 SSLiBs 및 대형 격자 스케일 에너지 저장용 고체상 Na-이온 배터리(SSNaBs)이다. 광범위한 SSE로는, LiSICON, 티오-LiSICON, 페로브스카이트, LiBH4, 황화물-기반 유리/세라믹, SSLiBs용의 Li-가넷, 및 SSNaBs용의 NASICON와 베타-알루미나에 대해 조사되었다. SSE 중 이온의 전도성 향상에 대한 점진적인 진보에 따라, 황화물-기반 전해질 중의 높은 전도성 10-2 S/cm이 얻어지고, 이는 유기 전해질의 전도도에 필적한다. 그러나, 전체 셀 환경에 대해, SSE와 전극 사이에서 계면 임피던스가 작은 안정한 계면이 중요하다. SSE와 캐소드 사이의 계면 임피던스를 줄이기 위해 여러 접근 방법이 적용되었고, 이러한 방법으로는, 표면 코팅, 계면 연질화, 버퍼층, 예를 들면, LiNbO2, Nb, BaTiO3, 및 캐소드 복합재 중의 첨가제, 예를 들면, LBO를 포함한다. 그러나, 애노드 측의 계면은, 특히 금속 Li이 사용되는 경우, 거의 연구되지 않았다. 페로브스카이트-타입 (Li, La)TiO3, NASICON (특히 Ti-기반 물질) 및 황화물-기반 유리 전해질을 포함하는 많은 고체 전해질이, 금속성 Li에 대해 안정하지 않다는 사실 때문이다. Li 금속은 애노드로서 가장 낮은 포텐셜(-3.040 대 표준 수소 전극) 및 가장 높은 용량 (3860 mAh/g)을 갖는다는 사실을 고려하면, 고에너지 밀도 SSLiB 개발을 위해 SSE와 Li 금속 애노드 사이의 계면을 해결하는 것이 매우 중요하다.Solid state lithium batteries (SSLiBs) are used for the main problems encountered such as low stability, limited voltage, unstable solid electrolyte phase (SEI) formation and low cycling performance in a conventional lithium (Li) ion battery including a combustible liquid electrolyte. Provide a potential solution. Solid state electrolyte (SSE) is a possible material for successfully developing various solid state batteries, and various solid state batteries are SSLiBs for electric vehicle applications and solid state Na-ion batteries (SSNaBs) for large grid scale energy storage. Extensive SSEs have been investigated for LiSICON, TiO-LiSICON, perovskite, LiBH 4 , sulfide-based glass / ceramics, Li-garnet for SSLiBs, and NASICON and beta-alumina for SSNaBs. With progressive advancement in ion conductivity enhancement in SSE, a high conductivity of 10 -2 S / cm in the sulfide-based electrolyte is obtained, which is comparable to the conductivity of the organic electrolyte. However, for a full-cell environment, a stable interface with a low interfacial impedance between the SSE and the electrode is important. Several approaches have been applied to reduce the interfacial impedance between the SSE and the cathode, including surface coating, interfacial softening, buffer layers such as LiNbO 2 , Nb, BaTiO 3 , and additives in the cathode composite, For example, it includes LBO. However, the interface on the anode side has hardly been studied, especially when a metal Li is used. This is due to the fact that many solid electrolytes, including perovskite-type (Li, La) TiO 3 , NASICON (especially Ti-based materials) and sulfide-based glass electrolytes are not stable to metallic Li. Considering the fact that Li metal has the lowest potential as the anode (-3.040 standard hydrogen electrode) and the highest capacity (3860 mAh / g), the interface between SSE and Li metal anode for high energy density SSLiB development It is very important to solve.
다양한 SSE 중에서, 가넷 전해질은 (1) 넓은 전기화학적 윈도우를 갖고, Li 금속에 대해 안정하고 최대 6V이고; (2) 가공 유연성으로 환경적으로 안정하고; (3) 실온에서 1 mS/cm에 가까운 높은 이온전도도를 갖기 때문에 SSLiBs에 대해 매우 매력적이다. 수십 년 전의 이러한 발견 이래로 기초 연구는, 기본 메카니즘의 이해를 향상시키고 Li-이온 전도도를 개선시켰다. 그러나, 가넷 SSE를 갖는 고성능 SSLiBs의 성공적인 입증에 대해 진전은 거의 없다. 주요 과제는, 강성 세라믹 성질로 인한 가넷 전해질과 전극 물질 사이의 큰 계면 저항이다. 가넷 전해질과 통합하기 위해 Li 금속을 가열하거나 더욱 용융하는 것도 보고되어 있다. 그러나, 계면에 존재하는 미세 갭 및 잠재적 웨팅 문제로 인해 계면에서 저항의 감소가 제한되는 경향이 있다. Li 금속과 LLZO의 높은 계면 저항의 소스로서 가넷 표면 상에서 Li2CO3가 자연적으로 형성되는 것은 종래에 확인되었다. 연마에 의해서 표면 불순물을 제거한 후에, 더욱 낮은 계면 면적 비저항(ASR) ~ 109 Ω㎠이 성공적으로 달성되었다. 그럼에도 불구하고, 이와 같이 달성된 계면 임피던스는 SSLiBs에 대해 여전히 너무 높고, 이러한 연마 접근방법은 평평한 가넷 전해질에만 적용 가능하며, 셀 기하형상 및 제조 확장성을 상당히 제한한다. Among the various SSEs, Garnett electrolyte has (1) a wide electrochemical window, stable to Li metal and up to 6V; (2) environmentally stable with processing flexibility; (3) SSLiBs are very attractive because they have a high ionic conductivity close to 1 mS / cm at room temperature. Since these discoveries decades ago, basic research has improved understanding of basic mechanisms and improved Li-ion conductivity. However, little progress has been made on the successful demonstration of high performance SSLiBs with Garnet SSE. A major challenge is the large interfacial resistance between the garnet electrolyte and the electrode material due to rigid ceramic properties. It has also been reported to heat or melt Li metal to integrate with Garnett's electrolyte. However, there is a tendency to limit the reduction in resistance at the interface due to the microgap present at the interface and potential wetting problems. It has been conventionally confirmed that Li 2 CO 3 is formed naturally on the garnet surface as a source of high interface resistance of Li metal and LLZO. After removal of surface impurities by polishing, a lower interfacial area specific resistance (ASR) to 109
SSLiBs는, 본질적인 안전성으로 인해, 전기적 비히클, 셀 폰, 및 다양한 기타 용도의 저비용의 안전한 에너지 저장 해결책을 제공할 수 있다. 그러나, SSLiB 계면은 일반적으로 낮은 비표면적으로 인해 높은 임피던스로 이어지고, 또한, 3D 높은 표면적의 계면을 제조하려는 시도는, 전압 사이클링에 의한 팽창/수축으로 인해 열화하거나, 이온 수송을 방해하는 전극-전해질 계면에서의 낮은 접촉(예를 들면, 기공)으로 인해 높은 임피던스로 이어질 수 있다. SSLiBs에서 현재의 최신 계면 임피던스는 ~ 1000 Ω/㎠이고, 유기 전해질을 갖는 Li+ 배터리보다 100~1000 배 높다. 이러한 높은 계면 임피던스는, SSLiBs의 초기 속도 성능을 제한할 뿐 아니라 충방전 사이클링 동안 현저히 증가하여 배터리 사이클 수명에 크게 영향을 미친다. 따라서, 큰 과제로서, SSE-전극 계면에서, 특히 (1) 전하 전달 및 수송에 대한 큰 계면 임피던스; 및 (2) 전기화학적 충방전 사이클을 갖는 계면의 기계적 열화가 존재한다.SSLiBs, due to inherent safety, can provide a low cost safe energy storage solution for electrical vehicles, cell phones, and a variety of other applications. However, the SSLiB interface generally leads to high impedances due to low specific surface area, and also attempts to fabricate interfaces with 3D high surface area are deteriorated due to expansion / contraction due to voltage cycling, or electrode-electrolyte Can lead to high impedance due to low contact (e.g., pores) at the interface. Current SSLiBs current interface impedances are ~ 1000 Ω / ㎠, 100 to 1000 times higher than Li + batteries with organic electrolytes. This high interface impedance not only limits the initial rate performance of SSLiBs, but also significantly increases during charge / discharge cycling, which greatly affects battery cycle life. Thus, as a major problem, at the SSE-electrode interface, in particular (1) large interface impedances for charge transport and transport; And (2) mechanical degradation of the interface with an electrochemical charge-discharge cycle.
또한, SSLiBs 및 SSNaBs에서 제한된 성공을 설명할 수 있는 SSE를 갖는 과제가 존재한다. 이러한 과제는, 전극 입자-전해질 입자 사이, 전극 입자 사이, 및 전해질 입자 사이의 셀 중의 큰 계면 저항; SSE가 일반적으로 취약하기 때문에 사이클링 중의 낮은 구조 계면 완전성; 및 대부분의 애노드 및 캐소드 물질과 양립되지 않는 높은 처리 온도를 포함한다.There is also a challenge with SSE that can account for limited success in SSLiBs and SSNaBs. This problem is solved by a large interface resistance in the cells between the electrode particles and the electrolyte particles, between the electrode particles, and between the electrolyte particles; Low structural interface integrity during cycling because SSE is generally weak; And high processing temperatures that are incompatible with most anode and cathode materials.
따라서, 개선된 전해질-전극 계면 임피던스 특성을 갖는 고체상 배터리가 요구되고 있다.Therefore, there is a demand for a solid-state battery having improved electrolyte-electrode interface impedance characteristics.
본 개시내용은 고체상 전해질 (SSE) 물질의 적어도 일부, 또는 고체상 전해질 (SSE) 물질의 한 표면 또는 전체 표면과 접촉하는 1 nm 내지 100 nm 두께를 갖는 무기 또는 유기 계면층을 제공한다. 무기 계면층은 Al2O3, TiO2, V2O5, Y2O3, 및 이들의 조합으로부터 선택된 금속 산화물일 수 있다. 무기 계면층은 연질의 무기 물질일 수 있다. 유기 계면층은 i) 폴리머, ii) 하나 이상의 리튬 염 및 폴리머를 포함하는 겔 물질, 또는 iii) 리튬 염 및 하나 이상의 용매를 포함하는 이온 전도성 유기 물질일 수 있다.The present disclosure provides an inorganic or organic interfacial layer having a thickness of 1 nm to 100 nm in contact with at least a portion of a solid state electrolyte (SSE) material, or one or all surfaces of a solid state electrolyte (SSE) material. Inorganic surface layer may be Al 2 O 3, TiO 2, V 2
SSE 물질은 리튬 페로브스카이트 물질, Li3N, Li-β-알루미나, 리튬 수퍼 이온 전도체 (LISICON), Li2 . 88PO3 . 86N0 .14 (LiPON), Li9AlSiO8, Li10GeP2S12, 리튬 가넷 SSE 물질, 도핑된 리튬 가넷 SSE 물질, 리튬 가넷 복합재 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 리튬-이온 전도성 SSE 물질을 포함할 수 있다. SSE 물질은 β''-Al2O3, Na4Zr2Si2PO12 (NASICON), 양이온-도핑된 NASICON, 및 이들의 조합으로부터 선택된 나트륨-이온 전도성 SSE 물질을 포함할 수 있다. SSE 물질은 Mg1+x(Al,Ti)2(PO4)6, NASICON-타입 마그네슘-이온 전도성 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택된 마그네슘-이온 전도성 SSE 물질일 수 있다.The SSE material is a lithium perovskite material, Li 3 N, Li- beta -alumina, lithium super ion conductor (LISICON), Li 2 . 88 PO 3 . 86 N 0 .14 (LiPON), Li 9 AlSiO 8, Li 10 GeP 2 S 12, lithium SSE garnet material, lithium-doped garnet SSE material, lithium composite garnet material, and at least one selected from lithium combinations thereof ion-conducting SSE < / RTI > material. The SSE material may comprise a sodium-ion conducting SSE material selected from beta '' - Al 2 O 3 , Na 4 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON), cation-doped NASICON, and combinations thereof. The SSE material may be a magnesium-ion conducting SSE material selected from Mg 1 + x (Al, Ti) 2 (PO 4 ) 6 , NASICON-type magnesium-ion conductive materials, and combinations thereof.
본 개시내용은 또한 하나 이상의 무기 층 및/또는 유기 계면층을 포함하는 디바이스를 제공한다. 디바이스는, 고체상 이온 전도성 배터리일 수 있고 SSE 물질, 캐소드 물질, 및 애노드 물질을 더 포함할 수 있다. 고체상 이온 전도성 배터리는 리튬-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, SSE 물질은 리튬-이온 전도성 SSE 물질과 접촉하는 하나 이상의 계면층을 갖는 리튬-이온 전도성 SSE 물질일 수 있다. 고체상 이온 전도성 배터리는 나트륨-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, SSE 물질은 나트륨-이온 전도성 SSE 물질과 접촉하는 하나 이상의 계면층을 갖는 나트륨-이온 전도성 SSE 물질일 수 있다. 고체상 이온 전도성 배터리는 마그네슘-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, SSE 물질은 마그네슘-이온 전도성 SSE 물질과 접촉하는 하나 이상의 계면층을 갖는 마그네슘-이온 전도성 SSE 물질일 수 있다.The present disclosure also provides a device comprising at least one inorganic layer and / or organic interfacial layer. The device may be a solid-state ionically conductive battery and may further comprise an SSE material, a cathode material, and an anode material. The solid state ion conductive battery may be a lithium-ion conductive solid state battery, and the SSE material may be a lithium-ion conductive SSE material having one or more interfacial layers in contact with the lithium-ion conductive SSE material. The solid state ionically conductive battery may be a sodium-ion conducting solid state battery, and the SSE material may be a sodium-ion conducting SSE material having one or more interfacial layers in contact with the sodium-ion conducting SSE material. The solid state ionically conductive battery may be a magnesium-ion conducting solid state battery, and the SSE material may be a magnesium-ion conducting SSE material having one or more interfacial layers in contact with the magnesium-ion conducting SSE material.
리튬-이온 전도성 고체상 배터리에 대해, 캐소드 물질은 리튬-함유 캐소드 물질, 임의로 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질, 및 폴리설파이드 물질로부터 선택될 수 있고/있거나, 애노드 물질은 리튬 금속, 실리콘, 임의로, 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질, 및 공기로부터 선택된다. 나트륨-이온 전도성 고체상 배터리에 대해, 캐소드 물질은 나트륨-함유 캐소드 물질, 황, 황 복합재 물질, 및 폴리설파이드 물질로부터 선택될 수 있고/있거나, 애노드 물질은 이온 전도성 나트륨-함유 애노드 물질, 나트륨 금속, 주석, 인, 및 공기로부터 선택된다. 마그네슘-이온 전도성 고체상 배터리에 대해, 캐소드 물질은 마그네슘 함유 캐소드 물질일 수 있고/있거나, 애노드 물질은 마그네슘 금속이다.For a lithium-ion conductive solid state battery, the cathode material may be selected from a lithium-containing cathode material, a conductive carbon material further comprising an organic or gel ion conductive electrolyte, and a polysulfide material and / or the anode material is a lithium metal , Silicon, optionally, a conductive carbon material further comprising an organic or gel ion conductive electrolyte, and air. For a sodium-ion conductive solid state battery, the cathode material may be selected from a sodium-containing cathode material, a sulfur, a sulfur composite material, and a polysulfide material and / or the anode material may be an ion conductive sodium- Tin, phosphorous, and air. For a magnesium-ion conductive solid state battery, the cathode material may be a magnesium-containing cathode material and / or the anode material is a magnesium metal.
고체상 이온 전도성 배터리는 캐소드 측 전류 집전체 및/또는 애노드 측 전류 집전체를 더 포함할 수 있다. 임의의 고체상 이온 전도성 배터리에서, 계면층, SSE 물질, 이온 전도성 캐소드 물질, 이온 전도성 애노드 물질, 및 하나 이상의 전류 집전체는 셀을 형성할 수 있고, 고체상 이온 전도성 배터리는 복수의 셀을 포함할 수 있고, 각각 인접한 셀 쌍은 바이폴라 플레이트로 분리된다.The solid-state ion conductive battery may further include a cathode-side current collector and / or an anode-side current collector. In any solid state ion conductive battery, the interface layer, the SSE material, the ion conductive cathode material, the ion conductive anode material, and the at least one current collector may form a cell, and the solid phase ion conductive battery may comprise a plurality of cells And adjacent pairs of cells are separated into bipolar plates.
본 개시내용의 성질 및 목적의 충분한 이해를 위해, 수반한 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 리튬화 및 나트륨화 후 Li 및 Na 이온을 전도하여 계면 임피던스를 감소시키고 전극과 함께 팽창-수축할 수 있는 초박막 ALD Al2O3이다.
도 2는 계면층과 고 전압 Li-NMC 셀의 일례의 개략도이다.
도 3은 겔 전해질을 다공성 가넷 펠렛으로 가압하고 기공을 충진하는 것을 도시하는 겔 전해질의 제조 절차의 (개략적) 그래프이다. 이는, 하이브리드화 전 ~ 50% 기공률의 가넷 펠렛(하부 좌측) 및 하이브리드화 후 겔-전해질 충진 기공(하부 우측)을 도시하는 하기 전자현미경 사진에서 보여진다.
도 4의 (a)는 ALD Al2O3 코팅 및 Li 금속 침투 후 다공성 SSE 샘플의 단면 SEM이다. (b)는 Li-금속 고밀도 SSE 계면에서의 단면 SEM 및 EDS이다. 이미지는, SSE의 바람직한 Li 웨팅이 얻어지는 것을 입증한다.
도 5의 (a)는 계면의 이온 확산을 연구하기 위한 개략적 원자 모델이다. (b)는 계면의 정전기 전위의 메소-스케일 공간의 전하 모델이다.
도 6은, NMC-CNT-가넷 복합재 캐소드, Li 애노드, 및 가넷 SSE을 갖는 SSLiBs의 일례의 개략도이다. 비연소성 PFPE 및 겔-전해질이 중간층으로서 사용되어 계면 임피던스를 감소시킬 수 있다.
도 7은 전해질-전극 계면에서 전하 수송 임피던스 및 계면 분해 생성물, 원자 구조를 확인하기 위한 산출 기술이다.
도 8은 가넷/Li 금속 계면의 안정성 및 SEM 관찰을 도시한다. (a)는 12 시간 동안 300℃에서 Li 분말과 함께 가열 전 및 후의 LLCZN 분말의 XRD 패턴 비교이다. (b)는 기준 전극 및 상대 전극으로서 Li 금속 및 작동 전극으로서 Pt를 갖는 LLCZN의 순환 전압 전류법이다. 주사 속도는 1.0 mV/s이다. (c,d)는 LLCZN 펠렛 상에 ALD-Al2O3을 코팅을 갖는 LLCZN/Li(c) 및 코팅을 갖지 않은 LLCZN/Li(d)의 단면 SEM 이미지이다.
도 9는 ALD 코팅 유무에 따른 대칭적 셀 (Li/LLCZN/Li)의 전기적 특성이다. (a)는 LLCZN 상에 1 nm ALD-Al2O3 코팅을 갖는 대칭 셀의 개략도이고, (b)는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)의 Nyquist 플롯이고; (c, d, e)는 71, 157 및 300 ㎂/㎠의 전류 밀도를 갖는 갈바노스탯 순환이다. (f)는 도금/박리 사이클 후 및 전의 EIS이다. 대시 라인은 긴 사이클링 후의 DC ASR을 나타낸다. (b)의 인셋은 고주파수에서 확대된 EIS이다. ALD 코팅이 없는 셀 Li/LLCZN/Li의 사이클링은 또한 (c)에 도시된다.
도 10은 Li 금속 애노드 및 LLZCN 전해질을 갖는 고전압 셀이다. (a)는 ALD 코팅된 LLCZN, Li 금속 애노드, LFMO/탄소 블랙/PVDF 복합재 캐소드 및 액체 유기 전해질을 사용해서 설계된 전체 셀의 개략도이고, FEC/FEMC/HFE (20:60:20, 부피비) 중의 1 M LiPF6의 조성물은 복합재 캐소드와 가넷 전해질 사이에 계면층으로서 첨가된다. (b)는 전체 셀의 1, 6, 7번째 셀 전압 프로파일이다. 화살표는 새로운 계면층이 첨가된 것을 나타낸다. (c)는 사이클링 성능이다. 화살표는 새로운 액체 계면층을 리필하는 7번째 사이클을 나타낸다. (d)는 LED 디바이스를 점등한 작동 셀이다. 좌측 사진의 황색 펠렛은 ALD 처리된 LLCZN 고체 전해질이다. LED는 플라스틱 트위저(tweezers) 도움으로 셀에 연결된다.
도 11은 ALD-Al2O3 유무에 따른 Li 금속 및 가넷 계면의 제1 주요 산출이다. 초기 분자 역학 시뮬레이션으로부터 LiAl5O8 (a) 및 Li2CO3 (b) 상의 Li 금속의 계면 모델. 상이한 Li 화학적 전위 (c) Li 금속에 대응하는 μLi=0 eV, 및 리튬화된 알루미나에서 Li 화학적 전위의 범위에 대응하는 μLi=-0.06eV (d) 및 μLi=-1.23 eV (e)에서 LLZO 시스템의 상 평형을 도시하는 Li 큰 전위 상태도(grand potential phase diagram)이다.
도 12는 PVDF-HFP 겔 멤브레인의 (a) 화학식, 및 상면(b)과 측면(c)의 SEN 이미지이다.
도 13은 가넷/캐소드 및 가넷/겔/캐소드 셀의 EIS이다.For a fuller understanding of the nature and objects of the disclosure, reference is made to the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: Fig.
FIG. 1 is an ultra-thin ALD Al 2 O 3 that can reduce the interface impedance by conduction of Li and Na ions after lithiumation and sodiumation, and can expand and contract with the electrodes.
2 is a schematic view of an example of an interfacial layer and a high-voltage Li-NMC cell.
3 is a (schematic) graph of a procedure for producing a gel electrolyte showing that the gel electrolyte is pressurized with porous garnet pellets and filling the pores. This is shown in the following electron micrographs showing the garnet pellet (lower left) before hybridization to 50% porosity and the gel-electrolyte filled pores (lower right) after hybridization.
4 (a) is a cross-sectional SEM of a porous SSE sample after ALD Al 2 O 3 coating and Li metal infiltration. (b) are cross-sectional SEM and EDS at the Li-metal high-density SSE interface. The image demonstrates that the preferred Li weighing of the SSE is obtained.
Figure 5 (a) is a schematic atomic model for studying the ion diffusion at the interface. (b) is the charge model of the meso-scale space of the electrostatic potential at the interface.
6 is a schematic diagram of an example of SSLiBs with NMC-CNT-Garnet composite cathode, Li anode, and Garnet SSE. Non-combustible PFPE and gel-electrolyte can be used as the interlayer to reduce the interfacial impedance.
7 is a calculation technique for confirming the charge transport impedance, the surface decomposition products, and the atomic structure at the electrolyte-electrode interface.
Figure 8 shows the stability and SEM observations of the Garnet / Li metal interface. (a) is an XRD pattern comparison of LLCZN powder before and after heating with Li powder at 300 ° C for 12 hours. (b) is a cyclic voltammetric method of LLCZN having Li metal as the reference electrode and counter electrode and Pt as the working electrode. The scanning speed is 1.0 mV / s. (c, d) is a cross-sectional SEM image of LLCZN / Li (c) and having no coating LLCZN / Li (d) having a coating of Al 2 O 3 on-ALD LLCZN pellets.
9 is an electrical characteristic of a symmetric cell (Li / LLCZN / Li) with or without ALD coating. (a) is a schematic diagram of the symmetrical cell with a 1 nm ALD-Al 2 O 3 coating on the LLCZN, (b) is a Nyquist plot of electrochemical impedance spectroscopy (EIS); (c, d, e) are galvanostat circulations having current densities of 71, 157 and 300 / / cm2. (f) are the EIS after and after the plating / peeling cycle. The dashed line represents DC ASR after long cycling. (b) is an enlarged EIS at high frequencies. The cycling of cell Li / LLCZN / Li without ALD coating is also shown in (c).
10 is a high voltage cell having a Li metal anode and an LLZCN electrolyte. (a) is a schematic view of an entire cell designed using an ALD coated LLCZN, a Li metal anode, an LFMO / carbon black / PVDF composite cathode and a liquid organic electrolyte, and a FEC / FEMC / HFE (20:60:20, The composition of 1 M LiPF 6 is added as an interfacial layer between the composite cathode and garnet electrolyte. (b) is the 1 st, 6 th, and 7 th cell voltage profiles of all the cells. The arrow indicates that a new interface layer has been added. (c) is the cycling performance. The arrows represent the seventh cycle of refilling the new liquid interface layer. (d) is an operating cell in which the LED device is turned on. The yellow pellet in the photo on the left is an ALD-treated LLCZN solid electrolyte. The LED is connected to the cell with the aid of plastic tweezers.
Figure 11 ALD-Al 2 O 3 Is the first major output of the Li metal and garnet interface depending on the presence or absence. Interfacial model of Li metal on LiAl 5 O 8 (a) and Li 2 CO 3 (b) from initial molecular mechanics simulation. Li different chemical potential (c) μ corresponding to Li metal Li = 0 eV, and μ at the corresponding lithiated alumina in the range of Li chemical potential of Li = -0.06eV (d) Li = -1.23 eV and μ (e ) Is a Li potential large potential phase diagram (grand potential phase diagram) showing the phase equilibrium of the LLZO system.
12 is a SEM image of (a) chemical form and top (b) and side (c) images of a PVDF-HFP gel membrane.
Figure 13 is an EIS of garnet / cathode and garnet / gel / cathode cell.
청구된 내용은 특정한 실시형태의 점에서 기재되지만, 본원에 기재된 모든 이익 및 특성을 제공하지 않은 실시형태를 포함하는 기타 실시형태도 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다. 다양한 구조, 논리, 공정 단계, 및 전자적 변화는 본 개시내용의 또는 그 범위로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있다.While the claimed subject matter is described in terms of particular embodiments, other embodiments are also within the scope of this disclosure, including embodiments that do not provide all the benefits and characteristics described herein. Various structures, logic, process steps, and electronic variations may be made without departing from the scope of this disclosure or its scope.
본 개시내용은 고체상 전해질 (SSE) 물질 상에(예를 들면, 물리적 접촉하는) 배치된 계면층을 제공한다. 본 개시내용은 또한, 이러한 계면층 및 이러한 계면층을 포함하는 디바이스를 제조하는 방법을 제공한다. 본 개시내용은 또한, 하이브리드 전해질 물질, 및 이러한 물질 및 이러한 물질을 포함하는 디바이스 제조방법을 제공한다.The present disclosure provides a disposed interfacial layer (e.g., in physical contact) on a solid state electrolyte (SSE) material. The present disclosure also provides a method of fabricating such an interface layer and a device comprising such an interface layer. The present disclosure also provides hybrid electrolyte materials, and methods of making such devices and devices comprising such materials.
본 개시내용은, 본 개시내용에 기재된 계면층의 통합에 의해 전극-전해질 계면 저항을 상당히 감소시킬 수 있는 놀랍고 예기치 못한 결과에 기초한다. 본원에 기재된 바와 같이(예를 들면, 실시예 1 및 도 9), 계면층의 통합은, 계면 저항을 300 배 감소시켜서 고체상 배터리 성능을 실용화할 수 있다.This disclosure is based on surprising and unexpected results that can significantly reduce the electrode-electrolyte interface resistance by incorporating the interface layers described in this disclosure. As described herein (e.g., Example 1 and FIG. 9), the integration of the interfacial layer can reduce the interfacial resistance by a factor of 300 so that solid-state battery performance can be put to practical use.
본 개시내용은, 고체상 배터리 내의 계면층으로서 예를 들면, 2개의 타입의 물질을 포함한다.The present disclosure includes, for example, two types of materials as interfacial layers in a solid state battery.
1. 유기 기반 폴리머, 겔, 및 액체 이온 전도체. 이들은, 예를 들면, 비연소성, 유기 전해질, 예를 들면, 퍼플루오로폴리에테르 (PFPE) 기반 전해질을 포함한다. 이러한 유기 전해질은 불이 붙지 않고 본질적으로 안전한 것이 확인되었다. PFPE 기반 유기 전해질은, 전해질 입자 경계를 가로지르는 계면, 또는 예를 들면, 배터리 성능을 향상시키기 위한 전해질-전극 계면을 증가시킬 수 있다. PFPE 기반 전해질은, 예를 들면, 리튬 이온 화학 물질(lithium ion chemistry)을 지지할 수 있다. 이러한 PFPE-기반 전해질은 또한 Li 이온 배터리 작동에 바람직한 정규 전해질보다 훨씬 높은 Li+ 전이 수를 갖는다. 전이 수는, SSE에 유사한 것으로 1에 근접한다. PFPE-기반 전해질은, 특히 부피 변화가 디바이스 작동 중에 발생하는 경우, 고체-고체 접촉을 상당히 개선한다. 예를 들면, PFPE는 메틸카보네이트-말단 PFPE(PFPE-DMCs)을 형성하기 위해 기능화된다. 기능화된 PFPE는 큰 온도 범위에 걸쳐 액체로서 유지되고 낮은 독성을 나타낸다. PFPE-DMSs는, 예를 들면, 공지된 비스(트리플루오로메탄)술폰아미드 리튬염 (LiTFSI)을 용매화하는 것을 알 수 있었다. 비연소성 비수성 전해질이 SSLiBs 중의 계면층으로서 사용된 것은 처음이다. 또 다른 예는, 폴리머 전해질 또는 겔 전해질, 예를 들면, 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)에서 LiClO4 이다. 이러한 연질의 전해질은, 우수한 전하 수송 및 기계적 완전성에 대해서 전극과 전해질 사이의 접촉을 개선시킬 수 있다. 겔 전해질은 매우 탄성이 있고, 전극 또는 SSE 표면을 등각으로(conformally) 코팅할 수 있고, SSE를 충진하여 고밀도의 핀홀 부재 멤브레인을 형성할 수 있다(도 3). 예를 들면, 가넷 분말 중에 침투된 겔-전해질은 전체 이온 전도도를 크게 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 겔 폴리머 전해질은 다음과 같이 제조될 수 있다. 0.25 g의 PVDF-HFP은 1 시간 동안 견고한 교반(robust stirring) 하에서 4.75 g의 아세톤 중에서 용해된다. 이어서, 이러한 용액은 유리 슬라이스 상에 캐스팅되고, 용매가 증발된 후, 겔 폴리머 필름으로 된다. 점성 겔 전해질이 전극 또는 가넷 전해질에 적용되고 건조될 수 있다. 가넷 또는 전극 복합재 내에 겔 전해질을 충진하는 것은, 진공 여과에 의해서 수행될 수 있다.1. Organic based polymers, gels, and liquid ion conductors. These include, for example, non-combustible, organic electrolytes, such as perfluoropolyether (PFPE) based electrolytes. These organic electrolytes were found to be essentially safe without fire. PFPE-based organic electrolytes can increase the interface across the electrolyte particle boundary, or the electrolyte-electrode interface, for example, to improve battery performance. PFPE-based electrolytes can support, for example, lithium ion chemistry. These PFPE-based electrolytes also have a much higher Li + transition number than regular electrolytes desirable for Li ion battery operation. The transition number is close to 1, similar to SSE. PFPE-based electrolytes significantly improve solid-solid contact, especially when volume changes occur during device operation. For example, PFPE is functionalized to form methyl carbonate-terminated PFPE (PFPE-DMCs). The functionalized PFPE is maintained as a liquid over a large temperature range and exhibits low toxicity. PFPE-DMSs were found to solvate, for example, the known bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt (LiTFSI). It is the first time that noncombustible non-aqueous electrolytes have been used as interfacial layers in SSLiBs. Another example is, a polymer electrolyte or a gel electrolyte, for example, LiClO 4 in a poly (ethylene oxide) (PEO) or polyvinylidene fluoride (PVDF) to be. Such a soft electrolyte can improve the contact between the electrode and the electrolyte for good charge transport and mechanical integrity. The gel electrolyte is highly elastic and can conformally coat the electrode or SSE surface and fill the SSE to form a high density pinhole member membrane (Figure 3). For example, the gel-electrolyte permeated into garnet powder can greatly increase the overall ionic conductivity. For example, a gel polymer electrolyte can be prepared as follows. 0.25 g of PVDF-HFP is dissolved in 4.75 g of acetone under 1 hour of robust stirring. This solution is then cast on a glass slice and the solvent is evaporated to a gel polymer film. The viscous gel electrolyte can be applied to the electrode or garnet electrolyte and dried. Filling the gel electrolyte in the garnet or electrode composite can be performed by vacuum filtration.
2. 무기-기반 고체상 계면 물질. 예를 들면, 리튬화 후 이온 전도성이고 기계적으로 연성인 ALD 초박막 산화물은 계면 물질로서 사용된다. 전기화학적으로 반응된 Al2O3은 연성이고 이온 전도성이며 전극-전해질 계면을 개선한다. 금속 산화물, 예를 들면, TiO2 및 Al2O3은 리튬화한 후의 바람직한 계면층이다. 이러한 산화물은, 전기적으로 절연되어도 작은 두께로 인해 리튬화될 수 있다. 예를 들면, 원자층 증착(ALD)에 의해 증착된 초박막 산화물은 Li 및 Na 이온이 효과적으로 전도되어 매우 탄성이고 연성이며 전극 입자를 등각으로 코팅할 수 있다(도 1). 예를 들면, 제1 하프 사이클의 전기화학적 반응 후 산화물은 임의의 파손 또는 파괴 없이 최대 280% 팽창될 수 있다. 또한, ALD 증착 Al2O3 은 Li 금속과 가넷 전해질 사이의 웨팅을 효과적으로 개선할 수 있다. 예를 들면, 초박막 (1-2 nm) 등각 ALD Al2O3은, 다공성 가넷 전해질로 금속 리튬의 웨팅 및 침투를 효과적으로 증가시킬 수 있다(참조, 예를 들면, 도 4 및 도 8). 연질의 이온 전도성 고체는 접촉을 개선할 수 있고, 바람직한 기계적 연질성 및 전도성을 갖는 사이클링 성능이 사용될 수 있다. 예를 들면, β-Li3PS4 (LPS)은 가넷보다 연질이다. 연질의 LPS 설파이드는 경질 산화물 가넷 상에 나노글루 계면층으로서 사용될 수 있다. 산출에 따르면, 소량의 LPS가 가넷 입자 사이의 전하 수송을 개선할 수 있다는 것을 나타냈다. 예를 들면, LPS는 건조 밀링에 의해서 가넷과 같은 SSE 물질에 적용될 수 있거나, LPS-가넷 복합재는 전구체를 함께 혼합해서 합성될 수 있다. 95% 가넷 및 5% LPS를 갖는 복합재는 바람직한 가공성, 전기화학으로 안정한 윈도우, 및 높은 이온 전도도를 가지는 것이 예상된다.2. An inorganic-based solid phase interfacial material. For example, ALD ultra-thin oxide, which is ion-conductive and mechanically soft after lithiation, is used as an interface material. Electrochemically reacted Al 2 O 3 is soft and ionic conductive and improves the electrode-electrolyte interface. Metal oxides, such as TiO 2 and Al 2 O 3, are preferred interface layers after lithiumation. These oxides can be lithiated due to their small thickness even when they are electrically insulated. For example, an ultra-thin oxide deposited by atomic layer deposition (ALD) is effectively elastic and soft and can conformally coat electrode particles with Li and Na ions effectively conducted (FIG. 1). For example, the oxide after the electrochemical reaction of the first half cycle may be expanded up to 280% without any breakage or destruction. In addition, ALD-deposited Al 2 O 3 can effectively improve the wetting between Li metal and Garnett electrolyte. For example, ultra-thin (1-2 nm) conformal ALD Al 2 O 3 can effectively increase the wetting and penetration of metal lithium into porous garnet electrolytes (see, e.g., FIGS. 4 and 8). Soft, ionically conductive solids can improve contact and cycling performance with favorable mechanical softness and conductivity can be used. For example, β-Li 3 PS 4 (LPS) is softer than garnet. Soft LPS sulfide can be used as the nanoglue interface layer on the hard oxide garnet. According to the calculations, a small amount of LPS could improve charge transport between garnet particles. For example, LPS can be applied to SSE materials such as Garnet by dry milling, or LPS-Garnet composites can be synthesized by mixing precursors together. Composites with 95% garnet and 5% LPS are expected to have desirable processability, an electrochemically stable window, and high ionic conductivity.
일 형태에서, 본 개시내용은 계면층을 제공한다. 계면층은 고체상 전해질 물질의 적어도 일부과 접촉한다. 계면층은 유기 물질 또는 무기 물질을 포함할 수 있다. 임의의 특정한 이론에 의해서 한정되지 않고, 계면층은 전해질 표면에 전극의 웨팅, 계면을 가로지르는 이온 수송, 사이클링 중에 구조적 완전성, 또는 이들의 조합을 개선함으로써 전극-고체상 전해질 계면의 임피던스를 감소하는 것이 고려된다.In one aspect, the disclosure provides an interface layer. The interface layer is in contact with at least a portion of the solid electrolyte material. The interfacial layer may comprise an organic material or an inorganic material. Without being limited by any particular theory, it is believed that the interface layer reduces the impedance of the electrode-solid electrolyte interface by improving wetting of the electrode on the electrolyte surface, ion transport across the interface, structural integrity during cycling, .
계면층은 이온 전도성(예를 들면, 1가, 2가, 또는 3가 이온 전도성)이다. 예를 들면, 계면층은 리튬-이온 전도성, 나트륨-이온 전도성, 마그네슘-이온 전도성, 또는 알루미늄-이온 전도성이다. 계면층은 계면층의 형성 후 이온 전도성이거나 형성된 이온 전도성인 것이 바람직하다. 예를 들면, 특정 계면층, 예를 들면, 금속 산화물층은, Li 또는 Na 애노드에 노출한 후 리튬화 또는 나트륨화한 후에 이온 전도성이 된다.The interface layer is ionic (e. G., Monovalent, divalent, or trivalent ionic). For example, the interface layer is lithium-ion conductive, sodium-ion conductive, magnesium-ion conductive, or aluminum-ion conductive. It is preferable that the interface layer is ion-conductive after formation of the interface layer or formed ion-conductive. For example, a specific interfacial layer, for example, a metal oxide layer, becomes ion conductive after lithiation or sodiumation after exposure to a Li or Na anode.
계면층은 SSE의 표면 상에 유해한 물질의 형성을 방지할 수 있다. 예를 들면, 계면층은 전극과 SSE 사이의 이온 수송을 감소하거나 방해하는 유해한 물질, 예를 들면, Li2CO3의 형성을 방지한다. The interfacial layer can prevent the formation of harmful substances on the surface of the SSE. For example, the interfacial layer prevents the formation of harmful substances, such as Li 2 CO 3 , that reduce or interfere with ion transport between the electrode and the SSE.
계면층의 표면의 적어도 일부은 SSE 물질의 표면의 적어도 일부과 접촉한다. 계면층은, SSE 물질의 표면 모두(예를 들면, 연속층), 또는 실질적으로 모두 접촉할 수 있다. 계면층은, SSE 물질과 전극 물질(예를 들면, 캐소드 물질 및/또는 애노드 물질) 사이에 SSE 물질의 표면의 일부분 또는 부분들과 접촉하는 것이 바람직하다. SSE 물질과 캐소드 (예를 들면, 연질의 이온 전도성 무기 물질 계면층 또는 이온 전도성 유기 물질 계면층) 사이의 SSE 물질의 일부분과 접촉하는 계면층은, SSE 물질과 애노드 (예를 들면, 금속 산화물 계면층) 사이의 일부분과 접촉하는 계면과 상이할 수 있다. 예를 들면, SSE 물질과 캐소드 사이에 SSE 물질의 일부분과 접촉하는 계면층은, 연질의 이온 전도성 무기 물질 계면층 또는 연질의 이온 전도성 유기 물질 계면층이고, SSE 물질과 애노드 사이에 SSE 물질의 일부분과 접촉하는 계면층은 금속 산화물 계면층이다. SSE 물질은 캐소드 부분 및 애노드 부분의 하나 이상을 가질 수 있다. 캐소드 물질은 SSE의 캐소드 부분에 배치되고, 애노드 부분은 SSE의 애노드 부분 상에 배치된다. SSE의 캐소드 부분 및 애노드 부분은 별개의 계면층을 가질 수 있고, 개별 계면층은 동일하거나 상이할 수 있다.At least a portion of the surface of the interface layer is in contact with at least a portion of the surface of the SSE material. The interfacial layer may contact both the surface (e.g., a continuous layer), or substantially all of the surface of the SSE material. The interface layer preferably contacts a portion or portions of the surface of the SSE material between the SSE material and the electrode material (e.g., the cathode material and / or the anode material). An interface layer that is in contact with a portion of the SSE material between the SSE material and the cathode (e.g., a soft, ionic conductive inorganic material interface layer or ionic conducting organic material interface layer) Layer) that is in contact with a portion of the substrate. For example, the interfacial layer that is in contact with a portion of the SSE material between the SSE material and the cathode is a soft, ionically conductive inorganic material interface layer or a soft, ionically conductive organic material interface layer, and a portion of the SSE material between the SSE material and the anode Is a metal oxide interface layer. The SSE material may have one or more of a cathode portion and an anode portion. The cathode material is disposed in the cathode portion of the SSE, and the anode portion is disposed on the anode portion of the SSE. The cathode portion and the anode portion of the SSE may have separate interface layers, and the individual interface layers may be the same or different.
계면층은 광범위한 두께를 가질 수 있다. 계면층은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있고, 모두 정수 nm 값 및 그 사이의 범위를 포함한다. The interfacial layer can have a wide thickness. The interfacial layer may have a thickness of from 1 nm to 100 nm and both include integer nm values and ranges therebetween.
무기 계면층은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 계면층은 금속 산화물이다. 금속 산화물의 예로는 Al2O3, TiO2, V2O3, 및 Y2O3을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 이러한 금속 산화물 계면층은, 경질 계면층으로서 지칭될 수 있다. 금속 산화물 계면층은 해당 기술 분야에 공지된 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물층은 물리적 증착법 (예를 들면, 스퍼터링) 또는 화학적 증착법 (예를 들면, 원자층 증착법(ALD)) 또는 용액 기반 방법(예를 들면, 졸-겔 법)에 의해 형성된다.The inorganic interfacial layer may comprise a metal oxide. For example, the interface layer is a metal oxide. Examples of the metal oxide include Al 2 O 3, TiO 2, V 2
무기 계면층은 연질의 무기 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 무기 계면층은 연질의 무기 물질이다. 연질의 무기 물질은 이온 전도성 물질일 수 있다. 연질의 무기 물질은 본질적으로 전도성일 수 있다. 임의의 특정한 이론으로 한정되지 않고, 연질의 무기 물질은, 전극과 전해질 사이의 접촉을 개선할 수 있고 전하 수송 및 기계적 완전성을 개선할 수 있다. 연질의 무기 물질로는, β-LiPS4 (LPS), Li10GeP2S12, Li3.25Ge0.25P0.75S4, 유리 세라믹, 예를 들면, Li7P3S11, 및 유리 물질, 예를 들면, Li2S-SiS2-Li3PO4을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 예를 들면, 황화물-기반 연질-무기 물질 (예를 들면, 황화물-기반 고체상 전해질 물질) 은, 가넷보다 연질이다 (예를 들면, LPS은 가넷 기반 SSLiBs의 계면층으로서 사용될 수 있다). 연질의 무기 물질은 SSE 물질 상에 개별 층을 형성할 수 있다.The inorganic interfacial layer may comprise a soft inorganic material. For example, the inorganic interfacial layer is a soft inorganic material. The soft inorganic material may be an ion conductive material. The soft inorganic material may be inherently conductive. Without being limited to any particular theory, a soft inorganic material can improve the contact between the electrode and the electrolyte and improve charge transport and mechanical integrity. Examples of soft inorganic materials include? -LiPS 4 (LPS), Li 10 GeP 2 S 12 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , glass ceramics such as Li 7 P 3 S 11 , For example, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 . For example, sulfide-based soft-inorganic materials (e.g., sulfide-based solid electrolyte materials) are softer than garnet (e.g., LPS can be used as the interface layer of garnet-based SSLiBs). The soft inorganic material may form an individual layer on the SSE material.
유기 계면층은 이온 전도성 유기 물질 (예를 들면, 폴리머 및/또는 유기 용매), 및 임의로 이온성 염 (예를 들면, Li 염, Na 염, 등)을 포함할 수 있다. 이러한 유기 계면층은 연질의 계면층으로서 지칭될 수 있다. 이온 전도성 유기 물질은 또한 전기 전도성인 것이 바람직하다. 예를 들면, 유기 계면층은 폴리머 (예를 들면, 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO)), 플루오로폴리머 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 퍼플루오로폴리에테르 (PFPE), 또는 그 기능화된 유사체 (예를 들면, 메틸카보네이트-말단 PFPEs), 및 코폴리머 (예를 들면, 폴리(비닐리덴플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)을 포함한다. 이온성 염은 폴리머 중에 가용성이다. 폴리머는 용매 (예를 들면, 유기 용매)를 더 포함할 수 있다.The organic interfacial layer may comprise an ion conductive organic material (e.g., polymer and / or organic solvent), and optionally an ionic salt (e.g., Li salt, Na salt, etc.). Such an organic interfacial layer may be referred to as a soft interfacial layer. The ion conductive organic material is also preferably electrically conductive. For example, the organic interfacial layer may comprise a polymer (e.g., poly (ethylene oxide) (PEO)), a fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride, a perfluoropolyether (PFPE) (Polyvinylidene fluoride- co -hexafluoropropylene). The ionic salt is soluble in the polymer. The polymer can be selected from the group consisting of, for example, And may further comprise a solvent (e.g., an organic solvent).
또 다른 예에서, 유기 계면층은 겔 물질을 포함한다. 겔 물질은 이온 전도성 겔 물질일 수 있다. 겔 물질은 하나 이상의 금속-이온 전도성 (예를 들면, Li+ 전도성, Na+ 전도성, 및/또는 Mg+ 전도성) 폴리머 및/또는 코폴리머 및/또는 금속-이온 (예를 들면, Li+, Na+, 및/또는 Mg+) 호스트 폴리머 및/또는 코폴리머 및 하나 이상의 하나 이상의 이온성 염(예를 들면, Li 염, Na 염, Mg 염, 등)을 포함할 수 있다. 호스트 폴리머 및 코폴리머는 금속-이온/이온성 염을 용매화할 수 있다. 폴리머의 예로는 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO)), 플루오로폴리머, 예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 퍼플루오로폴리에테르 (PFPE), 또는 그 기능화된 유사체 (예를 들면, 메틸카보네이트-말단 PFPEs)를 포함하지만, 이들로 제한되지 않고, 코폴리머의 예로는 폴리(비닐리덴플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 예를 들면, 염은 리튬 염 (예를 들면, LiPF6, LiClO4, 비스(트리플루오로메탄)술폰아미드 리튬 염, 및 이들의 조합)이다. 이온성 염 (예를 들면, Li 염, Na 염, 등)은 광범위의 조성으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 이온성 염은 (존재하는 전체 폴리머 및 이온성 염에 기초해서), 1 내지 20 중량%으로 존재하고, 모두 0.1 값 및 그 사이의 범위를 포함한다.In another example, the organic interfacial layer comprises a gel material. The gel material may be an ion conductive gel material. Gel material is at least one metal-ion conductivity (for example, Li + conductivity, and Na + conductivity, and / or Mg + conductive) polymer and / or copolymer and / or metal-ion (e.g., Li +, Na + , And / or Mg + ) host polymers and / or copolymers and one or more ionic salts (e.g., Li salts, Na salts, Mg salts, etc.). The host polymer and the copolymer may solvate the metal-ion / ionic salt. Examples of polymers include poly (ethylene oxide) (PEO)), fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride, perfluoropolyether (PFPE), or functionalized analogues thereof (e.g., methyl carbonate- Terminal PFPEs), but are not limited to, and examples of copolymers include, but are not limited to, poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) For example, LiPF 6 , LiClO 4 , bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt, and combinations thereof. Ionic salts (for example, Li salts, Na salts, etc.) For example, an ionic salt (based on the total polymer present and the ionic salt present) is present in an amount of from 1 to 20% by weight, and both include a value of 0.1 and a range therebetween.
더욱 또 다른 예에서, 유기 계면층은, 하나 이상의 용매 (예를 들면, 유기 용매, 예를 들면, 에틸렌 카보네이트 (EC), 디에틸카보네이트 (DEC), 플루오로화 용매 (예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트 (FEC), 메틸 트리플루오로에틸 카보네이트 (FEMC), 하이드로플루오로에테르 (HFEs)), 및 이들의 조합) 및 하나 이상의 이온성 염 (예를 들면, Li 염, Na 염, 등)을 포함하는 이온 전도성 액체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 염은 리튬 염 (예를 들면, LiPF6, LiClO4, 비스(트리플루오로메탄)술폰아미드 리튬 염, 및 이들의 조합)이다. 예를 들면, 이온성 염은 (존재하는 전체 폴리머 및 이온성 염에 기초해서) 1 내지 20 중량%로 존재하고, 모두 0.1 값 및 그 사이의 범위를 포함한다.In yet another example, the organic interfacial layer is formed from a mixture of one or more solvents (e.g., organic solvents such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), fluorinated solvents (For example, Li salt, Na salt, and the like) and at least one ionic salt (for example, at least one compound selected from the group consisting of ethylene carbonate (FEC), methyltrifluoroethyl carbonate (FEMC), hydrofluoroether Ionic < / RTI > conductive liquids. For example, the salt is a lithium salt (e.g., LiPF 6, LiClO 4, bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt, and combinations thereof). For example, the ionic salt is present in an amount of from 1 to 20% by weight (based on the total polymer present and the ionic salt present), and includes both a value of 0.1 and a range therebetween.
연질의 이온 전도성 무기 물질 및 연질의 이온 전도성 유기 물질 (예를 들면, 폴리머 물질, 겔 물질, 또는 이온 전도성 액체)은 연질 물질이다. 연질이란, 이러한 물질이 전극 물질과 SSE 물질 사이의 연속한 이온 전도성 경로를 제공하기 위해 보이드(예를 들면, SSE 표면 특성에 의해서 형성됨)를 충진할 수 있도록 압축할 수 있는 것을 의미한다. 이러한 연질의 계면층은, 일반적으로 구조적 실패 없이 사이클링 동안 전극 부피 변화가 가능하도록 더 연성을 갖는다.Soft ion conductive inorganic materials and soft ion conductive organic materials (e.g., polymeric materials, gel materials, or ionic conductive liquids) are soft materials. Softness means that this material can be compressed to fill voids (formed by, for example, SSE surface properties) to provide a continuous ionic conduction path between the electrode material and the SSE material. This soft interface layer is generally more ductile to allow electrode volume changes during cycling without structural failure.
계면층은, 단일 무기 계면층 물질 또는 단일 유기 계면층 물질을 포함하는 개별 층일 수 있다. 계면층은, 무기 계면층 물질 및/또는 유기 계면층 물질의 하나 이상의 개별 층을 포함할 수 있다. 계면층은 하나 이상의 무기 계면층 물질 및/또는 유기 계면층 물질을 포함하는 개별 층일 수 있다.The interfacial layer may be a discrete layer comprising a single inorganic interfacial layer material or a single organic interfacial layer material. The interfacial layer may comprise one or more discrete layers of inorganic interfacial layer material and / or organic interfacial layer material. The interface layer may be an individual layer comprising one or more inorganic interfacial layer materials and / or organic interfacial layer materials.
계면층은 핀홀 부재인 것이 바람직하다. 계면층은 관찰 가능한 핀홀이 없을 수 있다. 핀홀은 해당 기술분야에 공지된 방법에 의해 직접 또는 간접적으로 관찰될 수 있다. 예를 들면, 핀홀은 촬상 방법(예를 들면, 광학 촬상, SEM 촬상, 및/또는 TEM 촬상)에 의해서 직접적으로 및/또는 전기적 특성(예를 들면, 저항 또는 저항률) 측정에 의해 간접적으로 관찰될 수 있다.The interface layer is preferably a pinhole member. The interface layer may be free of observable pinholes. Pinholes can be observed either directly or indirectly by methods known in the art. For example, the pinhole may be indirectly observed by an imaging method (e.g., optical imaging, SEM imaging, and / or TEM imaging) and / or by electrical properties (e.g., resistance or resistivity) measurements .
임의의 SSE 물질이 사용될 수 있다. 적합한 SSE 물질은 해당 기술분야에 공지된다. 적합한 SSE 물질은 시판되고 해당 기술분야에서 공지된 방법에 의해서 제조될 수 있다.Any SSE material can be used. Suitable SSE materials are known in the art. Suitable SSE materials are commercially available and can be prepared by methods known in the art.
SSE 물질은 리튬-이온 전도성 물질일 수 있다. 예를 들면, SSE 물질은 다공성 또는 고밀도의 리튬-이온 전도성 SSE 물질을 포함한다. 리튬-이온 전도성 SSE 물질의 예로는 리튬 페로브스카이트 물질 (예를 들면, Li0 . 36La0 .55□ 0.09TiO3 (□ = 공석률)), Li3N (예를 들면, 층상 Li3N), Li-β-알루미나, 리튬 수퍼 이온 전도체 (LISICON) (예를 들면, Li14ZnGe4O16,), Li2 . 88PO3 . 86N0 .14 (LiPON), Li9AlSiO8, Li10GeP2S12, 및 리튬 가넷 SSE 물질을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 리튬 가넷 SSE 물질의 예로는, Li3-상 리튬 가넷 SSE 물질 (예를 들면, Li3CTe2O12, 여기서 C 는 란타나이드, 예를 들면, Y, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Zr, Ta, 또는 이들의 조합, Li3 + xNd3Te2 - xO12 , 여기서 x는 0.05 내지 1.5, Li5-상 리튬 가넷 SSE 물질 (예를 들면, Li5La3M1 2O12, 여기서 M1 은 Nb, Zr, Ta, Sb, 또는 이들의 조합, 양이온-치환 Li5La3M1 2O12, 예를 들면, Li6ALa3M1 2O12, 여기서 A는 Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 이들의 조합, Li7La3B2O12, 여기서 B는 Zr, Sn, 또는 이들의 조합); Li6-상 리튬 가넷 SSE 물질 (예를 들면, Li6DLa2M3 2O12, 여기서 D 는 Mg, Ca, Sr, Ba, 또는 이들의 조합, M3 은 Nb, Ta, 또는 이들의 조합); 양이온-도핑된 Li6La2BaTa2O12; 양이온-도핑된 Li6BaY2M1 2O12, 여기서 양이온 도펀트는 바륨, 이트륨, 아연, 또는 이들의 조합, Li7-상 리튬 가넷 SSE 물질 (예를 들면, 큐빅 Li7La3Zr2O12 및 Li7Y3Zr2O12); 양이온-도핑된 Li7La3Zr2O12; Li5 + 2xLa3 , Ta2 - xO12 , 여기서 x 는 0.1 내지 1, Li6 . 8(La2.95,Ca0.05)(Zr1 . 75,Nb0 . 25)O12 (LLCZN), Li6 . 4Y3Zr1 . 4Ta0 . 6O12, Li6.5La2.5Ba0.5TaZrO12, Li6BaY2M1 2O12, Li7Y3Zr2O12, Li6 . 75BaLa2Nb1 . 75Zn0 . 25O12, 또는 Li6.75BaLa2Ta1.75Zn0.25O12), 리튬 가넷 복합재 물질 (예를 들면, 리튬 가넷-전도성 탄소 매트릭스 (임의로 황을 포함))을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 리튬-이온 전도성 SSE 물질의 기타 예로는, 큐빅 가넷-타입 물질, 예를 들면, 3 mol% YSZ-도핑된 Li7 .06La3Zr1 .94Y0 .06O12 및 8 mol% YSZ-도핑된 Li7 .16La3Zr1 .94Y0 .06O12을 포함한다.The SSE material may be a lithium-ion conductive material. For example, SSE materials include porous or dense lithium-ion conducting SSE materials. Li-an example of the ion conductive material is a lithium SSE perovskite material (e.g., Li 0 36 La 0 .55 □ 0.09 TiO 3 (□ = vacancy rate).), Li 3 N (e.g., Li layer 3 N), Li-? -Alumina, lithium super ion conductor (LISICON) (for example, Li 14 ZnGe 4 O 16 ), Li 2 . 88 PO 3 . 86 N 0 .14 (LiPON), Li 9 AlSiO 8 , Li 10 GeP 2 S 12 , and lithium garnet SSE materials. Examples of the lithium garnet SSE material, Li 3 - the lithium garnet SSE material (e.g., Li 3 CTe 2 O 12, where C is, for a lanthanide, for example, Y, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Zr, Ta, or combinations thereof, Li 3 + x Nd 3 Te 2 - x O 12, where x is 0.05 to 1.5, Li 5 - the lithium garnet SSE (For example Li 5 La 3 M 1 2 O 12 , where M 1 is Nb, Zr, Ta, Sb, or a combination thereof, cation-substituted Li 5 La 3 M 1 2 O 12 , Li 6 ALa 3 M 1 2 O 12, where a is Mg, Ca, Sr, Ba, or combinations thereof, Li 7 La 3 B 2 O 12, where B is Zr, Sn, or combinations thereof); Li 6 - phase Li garnet SSE material (e.g., Li 6 DLa 2 M 3 2 O 12 where D is Mg, Ca, Sr, Ba, or a combination thereof, and M 3 is Nb, Ta, or combinations thereof); Cation-doped Li 6 La 2 BaTa 2 O 12, cation-doped Li 6 BaY 2 M 1 2 O 12 , where the cation dopant is barium, yttrium, zinc, or a combination thereof, Li 7 - Lithium garnet SSE material (e. G., Cubic Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 7 Y 3 Zr 2 O 12 ); cation-doped Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ;
SSE 물질은 나트륨-이온 전도성 물질일 수 있다. 예를 들면, SSE 물질은 β''-Al2O3, 다공성 또는 고밀도의 Na4Zr2Si2PO12 (NASICON), 양이온-도핑된 NASICON (예를 들면, Na4ZrAlSi2PO12, Na4ZrFeSi2PO12, Na3Zr1 . 94Y0 . 06Si2PO12, Na4ZrSbSi2PO12, 및 Na4ZrDySi2PO12)로부터 선택된 SSE 물질을 포함한다.The SSE material may be a sodium-ion conductive material. For example, the SSE material can be selected from the group consisting of β "-Al 2 O 3 , porous or dense Na 4 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON), cation-doped NASICON (eg, Na 4 ZrAlSi 2 PO 12 , Na 4 ZrFeSi 2 comprises a material selected from the SSE PO 12, Na 3 Zr 1. 94
SSE 물질은 마그네슘-이온 전도성 물질일 수 있다. 예를 들면, SSE 물질은 Mg1+x(Al,Ti)2(PO4)6, NASICON-타입 마그네슘-이온 전도성 물질 (예를 들면, Mg1 -2x(Zr1-xMx)4P6O24) 및 Mg1 -2x(Zr1 - xMx)(WO4)3, 여기서 x는 0.01 내지 0.5)로부터 선택된 SSE 물질을 포함한다. The SSE material may be a magnesium-ion conductive material. For example, the SSE material can be selected from the group consisting of Mg 1 + x (Al, Ti) 2 (PO 4 ) 6 , NASICON-type magnesium-ion conductive materials (eg Mg 1 -2x (Zr 1 -x M x ) 4 P 6 O 24 ) and Mg 1 -2x (Zr 1 - x M x ) (WO 4 ) 3 , where x is 0.01 to 0.5.
계면층 및 디바이스는 해당 기술분야에 공지된 방법을 사용해서 제조될 수 있다. 예를 들면, 금속 산화물층은 물리적 증착법 (예를 들면, 스퍼터링) 또는 화학적 증착법 (예를 들면, 원자층 증착법 (ALD)), 또는 용액 기반 법 (예를 들면, 졸-겔 법)에 의해서 형성된다. 폴리머 물질, 겔 물질, 또는 이온 전도성 액체층은 해당 기술분야에서 공지된 폴리머 또는 액체 코팅법에 의해서 형성될 수 있다. 폴리머 물질층은 진공 기반 방법에 의해서 형성될 수 있다.The interfacial layer and device may be fabricated using methods known in the art. For example, the metal oxide layer may be formed by physical vapor deposition (e.g., sputtering) or chemical vapor deposition (e.g., atomic layer deposition (ALD)) or solution-based (e.g., sol-gel) do. The polymer material, gel material, or ion conductive liquid layer may be formed by polymer or liquid coating methods known in the art. The layer of polymer material may be formed by a vacuum-based method.
예를 들면, PFPE-기반 전해질은 진공 보조 방법에 의해서 가넷 멤브레인 내에 충진될 수 있다. 하이브리드 전해질은, 입자를 통한 이온 수송의 향상으로 인해 가넷 테이프보다 훨씬 낮은 임피던스를 갖는 것이 기대된다. PFPE-LiTFSI 전해질은, Li/가넷/Li의 구성으로 대칭 셀을 조립한 후 충진될 수 있다. 임피던스는 활성화 에너지 및 이온성 전도도를 얻기 위해 온도를 변화시켜서 측정될 수 있다. EIS는 중간층으로서 PFPE-기반 유기 전해질 전 및 후에 계면 임피던스를 조사하기 위해 사용될 수 있다. 상이한 표면 모폴로지 및 표면적을 갖는 가넷이 제조될 수 있다.For example, PFPE-based electrolytes can be filled into the garnet membrane by vacuum assisted methods. Hybrid electrolytes are expected to have much lower impedance than garnet tapes due to improved ion transport through the particles. The PFPE-LiTFSI electrolyte can be filled after assembling the symmetric cell with a configuration of Li / Garnet / Li. Impedance can be measured by varying the temperature to obtain activation energy and ionic conductivity. The EIS can be used as an interlayer to probe interfacial impedances before and after PFPE-based organic electrolytes. Garnet having different surface morphology and surface area can be produced.
또 다른 예에서, 겔 전해질은, 고체상/겔 하이브리드 전해질을 형성하기 위해, 가넷 기공으로 침투되어, 전극과 고체상 전해질 사이에 높은 계면 저항을 극복하고 전해질 상의 전도도를 증가시키는 것을 도울 수 있다. 하이브리드 전해질은 덴드라이트 성장 및 침투를 방지하고, 리튬 금속 2차 배터리 내에 종래의 전해질의 높은 전도도를 허용하는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, PVDF-HFP 겔 전해질은 도 3에 도시된 바와 같이, 일축으로 다공성 Li7 .06La3Zr1 .94Y0 .06O12 가넷 펠렛으로 125 MPa로 가압되었다. 도 3에서 전자현미경 사진으로 입증된 바와 같이, 가넷은 가압 후 겔 전해질로 충진된 매우 상호 연결된 기공률을 나타낸다. 겔 전해질이 SEM 내에서 높은 진공 하에 놓인 경우, 높은 진공압 화합물이 휘발하고, 전해질이 감소해서, 시험 중에 존재하지 않을 수 있는 빈 영역을 남긴다.In another example, the gel electrolyte can penetrate the garnet pores to form a solid / gel hybrid electrolyte, helping to overcome high interface resistance between the electrode and the solid electrolyte and to increase the conductivity on the electrolyte. Hybrid electrolytes can serve to prevent dendrite growth and penetration and allow high conductivity of conventional electrolytes within lithium metal secondary batteries. For example, the PVDF-HFP gel electrolyte was pressurized to 125 MPa with a porous Li 7 .06 La 3 Zr 1 .94 Y 0 .06 O 12 garnet pellet as shown in FIG. As evidenced by electron micrographs in FIG. 3, garnet exhibits highly interconnected porosity filled with gel electrolyte after pressurization. When the gel electrolyte is placed under a high vacuum in the SEM, the high vacuum pressure compound volatilizes and the electrolyte decreases, leaving a void area that may not be present during the test.
ALD-산화물은 Li-가넷 웨팅을 개선할 수 있다. 예를 들면, 애노드 측에, 가넷 표면 상에 Li-금속이 코팅될 수 있다. Li 금속과 가넷 사이의 계면 접촉을 증가시키기 위해, 본 발명자들은 ALD 산화물을 적용해서 바람직한 웨팅으로 이어질 수 있다 (도 4(a) 및 (b)). Li 금속 여과의 깊이는 온도 및 기간에 의존하는 것을 찾아냈다.ALD-oxides can improve Li-garnet wetting. For example, Li-metal may be coated on the garnet surface on the anode side. In order to increase the interfacial contact between Li metal and garnet, we can lead to the preferred wetting by applying ALD oxides (Fig. 4 (a) and (b)). The depth of Li metal filtration was found to depend on temperature and duration.
PFPE 기반 전해질은 공지된 방법을 사용해서 제조될 수 있다. 예를 들면, 예를 들면, 1000 내지 4000 g/mol의 공칭 분자량을 갖는 시판 히드록실 말단 PFPE가 개질되어 메틸카보네이트-말단 PFPEs (PFPE-DMC)을 형성하고, 바람직한 열 안정성 및 화염 저항을 갖는 것이 기대된다. PFPE-DMCs은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiTFSI)과 같은 리튬염의 바람직한 용해성을 갖는 것이 기대된다. 전해질로서 용해된 LiTFSI을 갖는 PFPE-DMC는, 높은 전이 수 t ~ 0.9를 갖는 것이 기대되고, 가넷 전해질과 유사하다.PFPE based electrolytes can be prepared using known methods. For example, a commercially available hydroxyl terminated PFPE having a nominal molecular weight of 1000 to 4000 g / mol may be modified to form methyl carbonate-terminated PFPEs (PFPE-DMC), with desirable thermal stability and flame resistance It is expected. PFPE-DMCs are expected to have the desired solubility of lithium salts such as lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI). PFPE-DMC with LiTFSI dissolved as electrolyte is expected to have a high transition number t ~ 0.9 and is similar to Garnett's electrolyte.
디바이스, 예를 들면, 고체상 배터리는 해당 기술분야에 공지된 방법을 사용해서 형성될 수 있다. 예를 들면, 현재 LiB 제작방법에 공지된 층 대 층 방법은 Li-가넷-NMC 셀을 제작하기 위해 사용될 수 있다.Devices, for example, solid state batteries, may be formed using methods known in the art. For example, a layer-by-layer process known in the current LiB fabrication method can be used to fabricate a Li-garnet-NMC cell.
예를 들면, CNTs 는 바인더 및 전도성 첨가제로서 사용될 수 있다. 먼저, Al 호일은 NMC/CNT 복합재로 증착된다. 이어서 중간 온도 (<500℃)에서 가넷 테이프가 제작될 수 있다. 진공 하의 디바이스 내에 PFPE 또는 겔 전해질이 충진될 수 있다.For example, CNTs can be used as binders and conductive additives. First, the Al foil is deposited with an NMC / CNT composite. Garnett tapes can then be produced at intermediate temperatures (< 500 ° C). PFPE or gel electrolyte can be filled in the device under vacuum.
또 다른 예에서, 애노드 측 상의 Li-금속은 ALD 산화물을 코팅한 후, 가넷 전해질의 다공성 구조 내에 충진될 수 있다. 가넷 기공 내 겔 전해질을 충진함으로써 계면 임피던스가 상당히 감소될 수 있다. 셀은 금속 전류 집전체로 완성될 수 있다. 랩 스케일에서, Al 호일이 캐소드에 사용될 수 있고, Cu 호일이 애노드에 사용될 수 있다. 바이폴라 금속은 셀 적층 및 통합에 사용될 수 있다. 전극과 전류 집전체 사이의 전기적 접촉을 개선하기 위해, 박막 그래핀 층이 적용될 수 있다. 예를 들면, 저비용 그래핀 잉크가 사용될 수 있다.In another example, the Li-metal on the anode side can be filled into the porous structure of the garnet electrolyte after coating the ALD oxide. By filling the gel electrolyte in the garnet pores, the interface impedance can be significantly reduced. The cell can be completed with a metal current collector. On a lap scale, an Al foil can be used for the cathode, and a Cu foil can be used for the anode. Bipolar metals can be used for cell stacking and integration. In order to improve the electrical contact between the electrode and the current collector, a thin film graphene layer can be applied. For example, a low-cost graphene ink may be used.
또 다른 예에서, ALD-가넷에 대해, 고밀도의 Li-풍부 가넷 멤브레인은 ALD 산화물로 코팅된다. 가열 공정이 사용되어, 산화물층을 리튬화하고 이온성 전도도를 증가시켜서 효과적인 나노스케일 글루(nanoscale glue)를 달성하였다. ALD 산화물은 기공을 충진하여 고밀도 층을 형성할 수 있다.In another example, for ALD-garnet, a high density Li-rich garnet membrane is coated with an ALD oxide. A heating process was used to lithiate the oxide layer and increase the ionic conductivity to achieve an effective nanoscale glue. The ALD oxide can fill the pores to form a high density layer.
디바이스 구조의 예로는, 도 6에 약술되고, Li 금속은 애노드이고, 여과된 CNT 및 가넷이 혼합된 NMC는 캐소드이고, 가넷 멤브레인은 전해질 멤브레인으로서 사용된다. 층을 패킹한 후, 중간층 물질에, 예를 들면, PFPE 또는 겔 기반 전해질이 충진되어 계면을 개선할 수 있다. 도 2는 전체 셀 층-대-층의 제작의 일례를 도시한다. 말단에 PFPE 전해질이 진공 충진될 수 있다. 이온 및 전극의 수송 경로는 여과된 전도성 탄소(예를 들면, CNT 또는 그래핀) 및 가넷 SSE에 의해서 제공될 수 있다. Li 금속은 ALD 산화물 코팅의 도움으로 애노드로서 적용될 수 있다.An example of the device structure is outlined in FIG. 6, wherein the Li metal is the anode, the NMC mixed with the filtered CNT and garnet is the cathode, and the garnet membrane is used as the electrolyte membrane. After packing the layer, the interlayer material may be filled with, for example, PFPE or a gel-based electrolyte to improve the interface. Fig. 2 shows an example of the fabrication of a whole cell layer-to-layer. The PFPE electrolyte can be vacuum filled at the end. The transport path of ions and electrodes may be provided by filtered conductive carbon (e. G., CNT or graphene) and Garnet SSE. The Li metal can be applied as an anode with the aid of an ALD oxide coating.
하이브리드 전해질은, 연질의 유기 물질 또는 연질의 무기 물질과 SSE 물질 (복합재 물질)의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 복합재 물질은 (존재하는 전체 연질의 유기 물질 또는 연질의 무기 물질 및 SSE 물질에 기초해서) 하나 이상의 연질의 유기 물질 또는 연질의 무기 물질의 10 내지 90 중량%를 포함하고, 모두 정수% 값 및 그 사이의 범위를 포함한다. 하이브리드 전해질은 SSE 계면 임피던스를 감소시킬 수 있다.The hybrid electrolyte may comprise a soft organic material or a mixture of a soft inorganic material and an SSE material (composite material). For example, the composite material may comprise from 10 to 90% by weight of at least one soft organic material or soft inorganic material (based on the total soft organic material present or the soft inorganic material and the SSE material present) % Value and a range therebetween. Hybrid electrolytes can reduce the SSE interface impedance.
예를 들면, 건조 밀링 방법은, 가넷 입자와 LPS를 혼합해서 가넷 표면 상에 LPS의 등각 코팅을 형성하고, 충방전 공정 중에 구조 완전성 및 전하 수송의 계면을 개선시킬 수 있도록 사용될 수 있다. 예를 들면, 복합재 전해질은, 복합재 전해질의 계면 특성을 개선하기 위해서, 약 5-10% LPS을 갖는 가넷으로 주로 이루어질 수 있다. 일반적인 실험에서, LPS 및 가넷 전해질의 전구체는 이전에 공지된 방법을 사용해서 혼합된다. 이어서 복합재는, 예를 들면, 가열 속도 250℃/hour로 8시간 동안 1000℃에서 비활성 분위기에서 소성된다.For example, a dry milling method can be used to form a conformal coating of LPS on garnet surfaces by mixing garnet particles and LPS and to improve the integrity of the structure and the interface of charge transport during the charge and discharge processes. For example, the composite electrolyte may be predominantly composed of garnet having about 5-10% LPS to improve the interfacial properties of the composite electrolyte. In a typical experiment, precursors of LPS and garnet electrolytes are mixed using previously known methods. The composite is then calcined, for example, in an inert atmosphere at 1000 캜 for 8 hours at a heating rate of 250 캜 / hour.
일 형태에서, 본 개시내용은 본 개시내용의 하나 이상의 계면층 및/또는 하나 이상의 하이브리드 전해질 물질을 포함하는 디바이스를 제공한다. 예를 들면, 디바이스는 배터리와 같은 전기화학적 디바이스이다. 배터리의 예로는 고체상 배터리 또는 플로우 배터리를 포함한다. 적합한 배터리 건축의 예로는 기술 분야에 공지되어 있다. In one aspect, the disclosure provides a device comprising one or more interfacial layers and / or one or more hybrid electrolyte materials of the present disclosure. For example, a device is an electrochemical device such as a battery. Examples of the battery include a solid state battery or a flow battery. Examples of suitable battery constructions are known in the art.
디바이스는 고체상 배터리일 수 있다. 예를 들면, 고체상 이온 전도성 배터리는 본 개시내용의 하나 이상의 계면층 및/또는 본 개시내용의 하나 이상의 하이브리드 전해질 물질을 포함하고, SSE 물질, 캐소드 물질, 및 애노드 물질을 더 포함할 수 있다.The device may be a solid state battery. For example, the solid phase ionically conductive battery may comprise one or more of the interface layers of the present disclosure and / or one or more hybrid electrolyte materials of the present disclosure, and may further comprise SSE material, cathode material, and anode material.
적합한 전극 물질 (캐소드 물질 및 애노드 물질)은 해당 기술분야에 공지되어 있다. 적합한 전극 물질이 시판되고 있고 해당 기술분야에 공지된 방법에 의해서 제조될 수 있다.Suitable electrode materials (cathode material and anode material) are known in the art. Suitable electrode materials are commercially available and can be prepared by methods known in the art.
고체상 배터리는, 캐소드 측 전류 집전체 (예를 들면, 전도성 금속 또는 금속 합금) 및/또는 애노드 측 전류 집전체 (예를 들면, 전도성 금속 또는 금속 합금)를 더 포함할 수 있다. 전류 집전체에 적합한 금속 및 금속 합금은 해당 기술분야에 공지되어 있다.The solid state battery may further include a cathode side current collector (for example, a conductive metal or a metal alloy) and / or an anode side current collector (for example, a conductive metal or a metal alloy). Metals and metal alloys suitable for current collectors are known in the art.
계면층, SSE 물질, 이온 전도성 캐소드 물질, 이온 전도성 애노드 물질, 및 하나 이상의 전류 집전체는, 셀로 형성될 수 있다. 고체상 이온 전도성 배터리는 복수의 셀을 포함할 수 있고, 셀의 각각의 인접한 쌍은 바이폴라 플레이트(bipolar plate)에 의해 분리된다.The interface layer, the SSE material, the ion conductive cathode material, the ion conductive anode material, and the one or more current collectors may be formed into cells. The solid state ion conductive battery may comprise a plurality of cells, and each adjacent pair of cells is separated by a bipolar plate.
고체상 이온 전도성 배터리는 리튬-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, 계면층은 리튬-이온 SSE 물질과 접촉하는 계면층이다. 캐소드 물질은 리튬-함유 캐소드 물질 (예를 들면, Li(NiMnCo)1/3O2 (NMC),LiCoO2, LiFePO4, Li2MMn3O8, M은 Fe, Co, 및 이들의 조합으로부터 선택된다), 임의로 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질 (예를 들면, 탄소 나노튜브, 그래핀)로부터 선택될 수 있고, 폴리설파이드 물질 및/또는 애노드 물질은 리튬 금속, 실리콘, 임의로 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질 (예를 들면, 그래파이트, 탄소 블랙, 탄소 나노튜브, 및 그래핀) 및 산소 (예를 들면, 공기)로부터 선택될 수 있다.The solid phase ionically conductive battery may be a lithium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is an interface layer in contact with the lithium-ion SSE material. The cathode material may be selected from the group consisting of lithium-containing cathode materials (for example, Li (NiMnCo) 1/3 O 2 (NMC), LiCoO 2 , LiFePO 4 , Li 2 MMn 3 O 8 , M is Fe, Co, And the polysulfide material and / or the anode material may be selected from a lithium metal, a silicon-based material, a silicon-based material, (E. G., Graphite, carbon black, carbon nanotubes, and graphene) and oxygen (e. G., Air) optionally further comprising an organic or gel ion conductive electrolyte.
고체상 이온 전도성 배터리는 나트륨-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, 계면층은 나트륨-이온 SSE 물질과 접촉하는 계면층이다. 캐소드 물질은 나트륨-함유 캐소드 물질 (예를 들면, Na2V2O5, P2-Na2 / 3Fe1 / 2Mn1 / 2O2, Na3V2(PO4)3, NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4, 및 Na2 / 3Fe1 / 2Mn1 /2O2@그래핀 복합재), 황, 황 복합재 물질로부터 선택될 수 있고, 폴리설파이드 물질 및/또는 애노드 물질은 나트륨 금속, 주석, 인, 및 이온 전도성, 나트륨-함유 애노드 물질 (예를 들면, Na2C8H4O4 및 Na0.66Li0.22Ti0.78O2) 및 산소 (예를 들면, 공기)로부터 선택될 수 있다.The solid phase ion conductive battery may be a sodium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is an interface layer in contact with the sodium-ion SSE material. The cathode material is a sodium-containing cathode material (e.g., Na 2 V 2 O 5, P 2 -
고체상 이온 전도성 배터리는 마그네슘-이온 전도성 고체상 배터리일 수 있고, 계면층은 마그네슘-이온 SSE 물질과 접촉하는 계면층이다. 예를 들면, 캐소드 물질은 마그네슘 함유 캐소드 물질 (예를 들면, 도핑된 마그네슘 옥사이드)일 수 있고/있거나 애노드 물질은 마그네슘 금속일 수 있다.The solid phase ionically conductive battery may be a magnesium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is an interface layer in contact with the magnesium-ion SSE material. For example, the cathode material may be a magnesium containing cathode material (e.g., doped magnesium oxide) and / or the anode material may be a magnesium metal.
하나 이상의 계면층을 포함하는 디바이스의 계면 저항은 하나 이상의 계면층을 갖지 않는 동일한 디바이스의 저항보다 10 배 이하, 20 배 이하, 30 배 이하, 40 배 이하, 50 배 이하, 100 배 이하, 200 배 이하, 또는 300 배 이하일 수 있다. 하나 이상의 계면층을 포함하는 디바이스의 계면 저항은 750 Ω·㎠ 이하, 500 Ω·㎠ 이하, 400 Ω·㎠ 이하, 300 Ω·㎠ 이하, 200 Ω·㎠ 이하, 100 Ω·㎠ 이하, 50 Ω·㎠ 이하, 40 Ω·㎠ 이하, 30 Ω·㎠ 이하, 20 Ω·㎠ 이하, 10 Ω·㎠ 이하, 50 Ω·㎠ 이하, 4 Ω·㎠ 이하, 3 Ω·㎠ 이하, 또는 2 Ω·㎠ 이하일 수 있다.The interfacial resistance of a device comprising one or more interfacial layers is less than 10 times, 20 times less, 30 times less, 40 times less, 50 times less, 100 times less, 200 times less than the resistance of the same device without one or more interfacial layers Or less, or 300 times or less. The interfacial resistance of the device including at least one interfacial layer is not more than 750 Ω ·
다음의 예는 본 개시내용을 설명하기 위해 제시된다. 이들은 임의의 방법으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.The following examples are presented to illustrate the present disclosure. They are not intended to be limited in any way.
실시예 1Example 1
다음의 예는 본 개시내용의 계면층의 제조예를 제공한다.The following example provides an example of the preparation of the interfacial layer of the present disclosure.
리튬 금속 애노드와 가넷 전해질 사이의 큰 계면 저항은 원자층 증착법 (ALD)에 의해 초박막 알루미늄 옥사이드 (Al2O3)을 사용해서 해결되었다. Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 (LLCZN)은 증가된 리튬-이온 전도도로 인해 가넷 물질로서 사용된다. 실온에서 DC 계면 임피던스의 300 배 감소(606 Ω㎠ 로부터 2 Ω㎠)가 관찰되고, 리튬-금속/가넷 계면 임피던스를 효과적으로 방지한다. 실험적이고 산출된 결과에 따르면, 산화물 코팅은 가넷 전해질 표면과 접촉하는 금속성 리튬의 웨팅을 가능하게 하고, 리튬화된 알루미나 계면은 리튬 금속 애노드와 가넷 전해질 사이의 효과적인 리튬 이온 수송을 허용하는 것을 알 수 있다. 리튬 금속 애노드, 가넷 전해질 및 고전압 캐소드를 갖는 작용 셀은, 본원에 기재된 계면 화학을 적용함으로써 입증되었다.The large interfacial resistance between the lithium metal anode and the Garnett electrolyte was solved using atomic layer deposition (ALD) using ultra thin aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Li 7 La 2.75 Ca 0.25 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 (LLCZN) is used as a garnet material due to increased lithium-ion conductivity. A 300-fold reduction in DC interface impedance (from 606 Ω
원자층 증착법 (ALD)에 의해 가넷-유사 Li7La2 . 75Ca0 . 25Zr1 . 75Nb0 . 25O12 (LLCZN) 상에 초박막 Al2O3 코팅을 도입하여, Li 금속과 가넷 SSE 사이의 웨팅을 현저히 개선시키고, DC 계면을 2 Ω㎠까지 300 배 감소시키는 것이 입증되었다. 실험적 및 산출 연구에서는 가넷/Li 계면 개선 상의 ALD-Al2O3 코팅에 대해 가능한 메카니즘을 조사하기 위해 사용되었다.Atomic Layer Deposition (ALD) by Garnet - like Li 7 La 2 . 75 Ca 0 . 25 Zr 1 . 75 Nb 0 . It has been demonstrated that by introducing an ultra-thin Al 2 O 3 coating on 25 O 12 (LLCZN), the wetting between Li metal and Garnet SSE is significantly improved and the DC interface is reduced 300 times to 2
가넷 LLCZN 고체 전해질의 특성화. 가넷-구조 산화물 Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 (LLCZN)이 합성되고, 소결되고, 박막 고체 전해질 펠렛으로 연마되었다. 일반적인 가넷 조성은 Li7La3Zr2O12 (LLZO)이고, La3 + 부위를 Ca2 +로 치환하고 Zr4 + 부위를 Nb5 +로 동시에 치환하면, Li-이온 전도도가 증가되고 안정화된 큐빅 가넷-상의 장점을 갖는다Characterization of garnet LLCZN solid electrolyte. Garnet-structured oxide Li 7 La 2.75 Ca 0.25 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12 (LLCZN) was synthesized, sintered, and ground into thin film solid electrolyte pellets. The general Garnet composition is Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO). When the La 3 + site is substituted with Ca 2 + and the Zr 4 + site is simultaneously substituted with Nb 5 + , the Li ion conductivity is increased and stabilized Cubic garnet has advantages of
Li 금속과 ALD-Al2O3 코팅된 LLCZN 사이의 등각 계면. Li 금속과 LLCZN 가넷 사이에서 관찰된 안정성에 기초해서, 2 단계 공정은 펠렛 LLCZN 상의 등각 계면을 달성하도록 설계되었다. 먼저, ~ 1 nm 두께의 ALD-Al2O3 코팅이 가넷 표면에 적용되었다. 이어서, 하나의 Li 금속 박을, 50 psi에서 유압식 프레서를 사용해서 가넷 펠렛 상에 가압한 후, 적층된 가넷/Li 펠렛을, 작은 압력 하에서 250℃에서 1시간 동안 가열되었다. 대조 샘플은 베어 LLCZN 펠렛을 사용하여 동일한 방법으로 제조되었다. ALD-Al2O3 코팅된 가넷에 대해, SEM에 의해서 친밀한 등각 계면(intimate, conformal interface)이 관찰되었다(도 8(c)). 반면, 등각 대조 샘플은 명백한 갭(도 8(d))을 나타내는데, 이는, 높은 계면 임피던스를 일으킬 수 있기 때문에 문제가 있다. Li 금속은, Li 금속 융점 180.5℃보다 훨씬 더 높은, 300-350℃에서 긴 시간(24-168 hours) 동안 가열할 때까지 가넷 LLZO를 웨팅할 수 없다. 비교적 낮은 온도에서 Li금속을 가넷과 통합시키는 본 발명자의 2단계 공정은 색 센터(color center) 또는 균열을 일으키지 않는다. 가넷/Li의 이와 같이 관찰된 등각 계면은 ALD 산화물 코팅에 의한 직접적인 결과이다.Li metal and ALD-Al 2 O 3 Conformal interface between coated LLCZN. Based on the observed stability between the Li metal and the LLCZN garnet, the two step process was designed to achieve the conformal interface on the pellet LLCZN. First, ~ the ALD-Al 2 O 3 coating of a 1 nm thickness was applied to the garnet surface. Then, one Li metal foil was pressed onto the Garnet pellet using a hydraulic press at 50 psi, and then the laminated Garnet / Li pellets were heated at 250 DEG C for 1 hour under a small pressure. Control samples were prepared in the same manner using bare LLCZN pellets. For the ALD-Al 2 O 3 coated garnet, an intimate, conformal interface was observed by SEM (Fig. 8 (c)). On the other hand, the conformal reference sample exhibits a clear gap (Fig. 8 (d)), which is problematic since it can cause high interface impedances. Li metal can not wet Garnet LLZO until it has been heated for a long time (24-168 hours) at 300-350 ° C, much higher than the Li metal melting point of 180.5 ° C. Our two-step process of integrating Li metal with Garnet at relatively low temperatures does not cause color centers or cracks. This observed conformal interface of Garnet / Li is a direct result of the ALD oxide coating.
LLCZN/Li 금속의 계면 임피던스. Li 금속과 가넷 LLCZN 사이의 계면 임피던스를 조사하기 위해, 도 9(a)에 도시된 대칭 셀은 ALD-Al2O3 코팅 유무에 따라 제조되었다. 동일한 절차에 의해 셀이 조립되고 소결 펠렛의 동일한 배치로부터 가넷을 사용하여 ALD의 영향을 분리하고 일관성을 최대화한다. 사용된 LLZCN 펠렛은, 두께 200 ㎛이고 전극 표면적 0.49 ㎠이다. ALD 코팅된 샘플은 모두 노출된 표면 상에 Al2O3의 ~ 1nm 층을 가졌다. 샘플은 22℃에서 EIS로 측정하여 임피던스에 대한 개별 기여도를 확인했다. 얻어진 멤브레인은 도 9(b)에 제공된다. 각 샘플에서 2개의 별개의 아크가 나타나고, 상당한 회로에 의해서 피팅되었다. 벌크 영역 특이적 저항(ASR)은, 고주파 x-인터셉트를 찾기 위해서 상당한 회로로부터 결정되고, 각각 ALD 코팅 유무에 따라 셀에 대해 26 및 28 Ω·㎠이다. 제1 아크는 입자 경계 임피던스를 나타내고, 용량은 ALD 유무에 따라 셀에 대해 3.1x10-9 F 및 2.1x10-9 F이다. 입자 경계 ASR은, ALD 코팅 유무에 따라 셀에 대해 150 Ω·㎠ 및 4500 Ω·㎠인 것을 알 수 있었다. 2개의 경우에 사용된 가넷 펠렛은, 동일한 기원을 사용하기 때문에, 비-ALD 샘플에서 현저히 높은 ASR은, 낮은 계면의 접촉(상기 도 8(d)에 도시됨) 및 입자 경계 및 Li-금속/가넷 계면 임피던스 주파수 분산에서 오버랩에 의한 것이다. 제2 아크는 계면 임피던스의 특성이고, 용량은 ALD 코팅 유무에 따라 셀에 대해 9.9x10-4 및 2.8x10-5 F이다. 계면 ASR은 셀당 2개의 전극이 있기 때문에 전극 표면적에 대해 정상화하기 전에 저항을 2로 나눠서 산출되었다. ALD 처리는 계면 ASR을 EIS에 의해 490 Ω·㎠ 로부터 16 Ω·㎠로 감소시키는 것을 알 수 있다. 이러한 감소는, 경우에 따라 다음과 같은 이유에 기인될 수 있다: (1) Li 금속 및 SSE 접촉에 의한 등각 코팅은 효과적인 이온성 전달 영역을 증가시킨다; (2) 250℃에서 Li 금속과 접촉하여 형성된 자발적으로 리튬화된 Al2O3는 Li-이온 전도성이고 가넷 및 Li 금속 사이에서 이온을 효과적으로 수송하고; (3) ALD 층은 가넷 표면 상에 Li2CO3 형성을 방지한다.Interfacial Impedance of LLCZN / Li Metals. In order to investigate the interface impedance between Li metal and garnet LLCZN, symmetrical cell shown in Figure 9 (a) is ALD-Al 2 O 3 It was manufactured with or without coating. The cells are assembled by the same procedure and garnet is separated from the same batch of sintered pellets to isolate the effects of ALD and maximize consistency. The LLZCN pellet used had a thickness of 200 mu m and an electrode surface area of 0.49 cm < 2 >. All ALD coated samples had ~ 1 nm layer of Al 2 O 3 on exposed surfaces. The samples were measured by EIS at 22 ° C to determine the individual contribution to impedance. The obtained membrane is provided in Fig. 9 (b). In each sample, two distinct arcs appeared and were fitted by considerable circuitry. The bulk area specific resistance (ASR) is determined from the considerable circuit to find the high frequency x-intercept and is 26 and 28 Ω ·
본 발명자들은, 가넷과 Li 금속 계면을 가로지르는 Li 이온 수송 능력 및 계면 임피던스를 평가하기 위해, DC Li 도금 및 박리 실험을 수행하였다. 이러한 측정에 사용되는 샘플은 상기 검토된 것과 동일했다. 71 ㎂/㎠의 전류밀도에서, ALD 코팅을 갖는 Li/LLCZN/Li 셀은 빠르게 ~ 2 mV로 안정화되었다. 한편, ALD 코팅을 갖지 않는 대조 셀은 45 mV에서 노이즈 분극된 전위를 나타냈다. ALD 코팅을 갖는 Li/LLCZN/Li 셀은 임의의 인지할 수 있는 열화 없이 수백 회 사이클링되었다. 도 9(d)는 20 분 동안 어느 방향으로도 160 ㎂/㎠ 의 전류밀도 및 ~ 4.5 mV에서 안정한 전압 응답에서 80 시간의 사이클링을 나타낸다. 전류밀도는 300 ㎂/㎠까지 증가하고, ~ 8.5 mV의 분극 전압을 일으켰다(도 9(e)). 작은 분극을 갖는 관찰된 사이클링에 따르면, Li 사이클링 동안 낮은 계면 임피던스 및 안정한 계면은, ALD 산화물 계면층에 의해 얻어지는 것이 확인된다. 안정한 계면은 경우에 따라 리튬화된 Al2O3의 높은 내구성에 의한 것이고, 이는 리튬화 및 나트륨화된 Al2O3의 기계적 특성에 대한 문헌과 일치한다. DC 박리/도금 시험으로부터 산출된 ASR은 사이클링 시험 전에 EIS에 의해서 측정된 벌크 ASR에 유사한 ~ 28 Ω㎠이고, Li/가넷 계면 임피던스 및 입자 경계 임피던스의 효과적인 제거를 나타낸다. 이러한 결과를 확인하기 위해, EIS에 의한 셀 임피던스는 사이클링 후 다시 측정되었다.The present inventors conducted DC Li plating and peeling experiments to evaluate Li ion transport ability and interface impedance across the garnet and Li metal interface. The samples used for these measurements were the same as those reviewed above. At a current density of 71 μA /
도 9(f)에서, 사이클링 후 Li/LLCZN/Li 셀의 EIS는 사이클링 전에 EIS에 따라 플로팅되고 DC 사이클링으로부터 산출된 ASR를 표기한다. 이러한 도면에 도시된 바와 같이, 임피던스에 대한 남은 기여자는, 사이클링 전 및 후에 EIS로부터 벌크 ASR과 DC ASR 사이의 매칭에 의해 전해질의 벌크 전도도인 것으로 보인다. 낮은 주파수 아크의 부족에 따르면, Li/가넷 계면 임피던스와 입자 경계 저항을 효과적으로 방지하는 것이 확인된다. 이러한 효과는 Li-금속/가넷 계면을 개선하는 사이클링 중에 Li 도금에 의한 것이고, 잠재적으로 입자 경계 임피던스에 공간 전하 기여를 감소시키는 입자 경계 내의 리튬 함량의 증가에 의한 것이다.In Figure 9 (f), the EIS of the Li / LLCZN / Li cell after cycling is plotted according to the EIS before cycling and indicates the ASR calculated from the DC cycling. As shown in this figure, the remaining contributors to the impedance appear to be the bulk conductance of the electrolyte by matching between bulk ASR and DC ASR from the EIS before and after cycling. According to the lack of low frequency arc, it is confirmed that effectively preventing Li / Garnet interface impedance and grain boundary resistance. This effect is due to Li plating during cycling to improve the Li-metal / garnet interface and is due to an increase in the lithium content in the grain boundaries that potentially reduces the space charge contribution to the grain boundary impedance.
2개의 대칭 셀의 전기적인 파라미터는 상기 EIS 및 DC 사이클링 데이터에 기초해서 표 1에 요약되어 있다. 사이클링 후 입자 경계 임피던스가 관찰되지 않고 표 1에 포함된 것이 임피던스에 기여하지 않는 것을 유의한다. 이러한 결과에 따르면, 초박막 ALD-Al2O3 코팅은 고체 LLCZN/Li 계면을 통해 Li-이온 수송을 용이하게 하는 것을 제안한다.The electrical parameters of the two symmetric cells are summarized in Table 1 based on the EIS and DC cycling data. Note that no particle boundary impedance is observed after cycling and what is included in Table 1 does not contribute to the impedance. According to these results, the ultra-thin ALD-Al 2 O 3 The coating suggests facilitating Li-ion transport through the solid LLCZN / Li interface.
Li 금속 및 가넷 계면의 제1 원리 산출. 제1 원리 산출은, 초박막 ALD-Al2O3 코팅 후 Li 금속과 가넷 사이의 계면 개선의 메카니즘을 조사하기 위해 사용되었다. 첫째, 다양한 Li 화학양론 LixAl2O3 +x/2(x=0.4 내지 1.4)의 리튬화 알루미나 박막 상에 대한 Li 금속의 결합에너지가 산출되었다. 이러한 결과는 LixAl2O3 +x/2 (x=0.4 내지 1.4) 상에서 Li 금속 사이의 강한 화학적 결합 에너지가 입증되고, 6.0 내지 11.4 eV/nm2 범위의 높은 결합에너지를 갖는다. 결국, 이러한 강한 계면 결합은 Al2O3 코팅된 고체 전해질에 대한 Li 금속의 웨팅을 개선시킨다. 리튬화 후의 초박막 알루미나는 우수한 Li 이온 전도체이고, Li금속과 가넷 사이의 효과적인 Li-이온 수송 경로 및 낮은 계면 저항을 제공한다. 가넷 전해질은 공기에 대한 임의의 노출 없이 제조하는 것은 곤란하기 때문에, Li2CO3 는 가넷 표면 상에 존재하는 것으로 보인다. 이를 고려하면, Li2CO3의 박막층이 가넷을 덮는 것으로 가정된다. Li 금속과 Li2CO3 층 사이의 계면 결합 에너지는 1.6 eV/nm2로서 산출되고, 이는 Li와 리튬화 알루미나 사이에서보다 상당한 낮다 (도 11(a), (b)). 약한 결합 에너지에 의해 낮은 접촉 면적으로 이어지고, 갭 및 간격을 형성한다. 가넷/Li 계면 내의 갭, 간격, 및 Li2CO3 의 존재는 큰 계면 저항을 일으킨다. 이러한 산출에 의하면, 초박막 ALD-Al2O3 코팅 후의 계면 임피던스의 주목할만한 감소와 일치한다.First principle calculation of Li metal and garnet interface. The first principle calculation was used to investigate the mechanism of interface improvement between Li metal and garnet after ultra thin ALD-Al 2 O 3 coating. First, the binding energy of Li metal on the lithiated alumina thin films of various Li stoichiometric Li x Al 2 O 3 + x / 2 (x = 0.4 to 1.4) was calculated. These results demonstrate a strong chemical bonding energy between Li metals on Li x Al 2 O 3 + x / 2 (x = 0.4 to 1.4), with a range of 6.0 to 11.4 eV / nm 2 Lt; / RTI > range. As a result, this strong interfacial bonding improves the wetting of Li metal to Al 2 O 3 coated solid electrolytes. Ultra-thin alumina after lithiation is a good Li-ion conductor and provides an effective Li-ion transport path between Li metal and garnet and low interface resistance. Garnet electrolytes it is difficult to manufacture, without any exposure to the air, Li 2 CO 3 is likely present on the surface garnet. Taking this into consideration, it is assumed that the thin film layer of Li 2 CO 3 covers the garnet. The interfacial bond energy between the Li metal and the Li 2 CO 3 layer is calculated as 1.6 eV / nm 2 , which is significantly lower between Li and lithium alumina (Fig. 11 (a), (b)). The weak bonding energy leads to a low contact area, forming gaps and gaps. The presence of gaps, gaps, and Li 2 CO 3 in the garnet / Li interface causes a large interface resistance. According to this calculation, the ultra-thin ALD-Al 2 O 3 Which is consistent with a remarkable reduction in interfacial impedance after coating.
둘째, 제1 원리로부터 가넷/Li 금속에 대해 화학적 계면 안정성이 산출되었다. LLZO 시스템의 Li 큰 잠재적인 상태도에 기초해서(도 11(c)), Li와 접촉하는 베어 큐빅 LLZO에 대해 -27 kJ/mole의 작은 분해 에너지가 산출된다. 이러한 분해는, Li2O, Zr, 및 La2O3의 조성에 대응하고, 가넷의 Li 감소에 대한 잠재적인 경향을 나타낸다. 도핑되지 않은 LLZO에 비해, 본 연구에 사용된 도핑된 가넷 LLCZN은 추가의 분해 조성물, CaO 및 Nb을 갖는 Li 금속 및 상 평형에 대해 유사한 상 안정성을 갖는다. 가넷의 Li 감소에 대한 비교적 작은 열역학 구동력은 Li 금속에 대해 상대적인 안정성을 설명할 수 있다. 높은 온도(> 300℃)에서, Li 금속과 접촉하는 가넷의 분해가 진행되고 제1 원리 산출에 기초해서 최대 ~ 50%의 상당한 부피 팽창을 일으킬 수 있다. 이는, Li 금속과 함께 가열을 수행한 LLCZN의 낮은 각도 시프트 XRD 피크의 실험적인 증거에 의해서 지지된다. 계면에 위치하는 이러한 큰 부피 팽창은, 가넷 전해질을 분해하고 이전에 실험 연구에서 나타낸 기계적 실패를 유도할 수 있다. 또한, 가넷 전해질의 분해는, 고체 전해질 상간(SEI)과 유사하지만, 낮은 Li 이온 전도도를 갖는 상간 층을 형성한다. 이러한 분해된 물질은 Li2O/Li2O2, La2O3, Zr/ZrxO, CaO, Nb/NbOx를 함유할 수 있고, 우수한 계면 이온성 전도에 대해 유해한 가능한 공기 오염, 예를 들면, La2ZrO7, Li2CO3을 포함할 수 있다. 반면, Li 큰 양이온 상태도(도 11(d),(e))는, LLCZN과 유사한 가넷 LLZO이 -0.06 eV 내지 -1.23 eV의 평형 Li 화학 전위(μLi)에서 리튬화된 알루미나와 안정화된다. 따라서, ALD-Al2O3 코팅을 도입하면, 금속성 Li와 반응을 통해 가넷이 분해하는 것을 보호하고, Li 금속 애노드와 가넷 전해질의 안정한 높은 전도성 계면을 유지한다. 전압 증가 없이 장기간동안 갈바노스탯 사이클링에 의한 실험적인 결과는, Li 금속과 ALD-코팅된 가넷 사이의 안정한 계면에 대한 산출과 일치한다.Second, the chemical interfacial stability of Garnet / Li metal was calculated from the first principle. Based on the Li large potential state diagram of the LLZO system (Fig. 11 (c)), a small dissipation energy of -27 kJ / mole is produced for bare cubic LLZO in contact with Li. This decomposition corresponds to the composition of Li 2 O, Zr, and La 2 O 3 and represents a potential tendency for Garnet's Li reduction. Compared to undoped LLZO, the doped Garnet LLCZN used in this study has similar phase stability for Li dissimilar compositions, Li metal with CaO and Nb, and phase equilibrium. The relatively small thermodynamic driving force for Garnet's Li reduction can account for the relative stability to Li metal. At high temperatures (> 300 DEG C), the decomposition of garnet in contact with the Li metal can proceed and cause a significant volume expansion of up to 50%, based on the first principle calculations. This is supported by the experimental evidence of the low angular shift XRD peak of LLCZN that has been heated with Li metal. This large volume expansion at the interface can dissolve Garnett electrolyte and induce mechanical failure as previously shown in experimental studies. In addition, the decomposition of garnet electrolytes is similar to that of solid electrolyte phases (SEI), but forms an interlayer having low Li ion conductivity. This decomposed material may contain Li 2 O / Li 2 O 2 , La 2 O 3 , Zr / ZrxO, CaO, Nb / NbO x and may contain possible air contaminants which are detrimental to good interfacial ionic conduction, , La 2 ZrO 7 , Li 2 CO 3 . On the other hand, Li large cation state diagrams (Figs. 11 (d) and 11 (e)) show that garnet LLZO similar to LLCZN is stabilized with lithiumated alumina at equilibrium Li chemical potentials (μLi) of -0.06 eV to -1.23 eV. Thus, the introduction of an ALD-Al 2 O 3 coating protects garnet from decomposition through reaction with metallic Li and maintains a stable high conductive interface of the Li metal anode and garnet electrolyte. Experimental results by galvanostat cycling over extended periods of time without voltage increase are consistent with calculations for a stable interface between Li metal and ALD-coated garnet.
혁신적인 전략은, 모든 SSLiBs에 대해 Li 금속 애노드와 가넷-타입 LLCZN 고체 전해질 사이의 계면 문제를 해결하도록 전개되었다. Al2O3의 초박막 ALD 코팅은, DC 사이클링에 의해 DC 계면 ASR을 606 Ω·㎠ 로부터 2 Ω·㎠로 효과적으로 감소시키고, 입자 경계 임피던스에서 사이클링에 의해 현저히 감소하였다. 작용 전체 셀은 고전압 캐소드 LFMO, 가넷 LLCZN, 및 Li 금속 애노드를 사용해서 입증되었다. 계면 개선에 대한 가능한 메카니즘은 다음과 같은 실험 및 산출 증거에 기초해서 제안된다: (1) 가넷 상의 ALD- Al2O3 코팅은 가넷/Li의 등각 계면을 가능하게 한다; (2) 리튬화된 알루미나의 높은 결합 에너지는 등각 계면을 향상시킨다; (3) 초박막 리튬화된 알루미나는 계면을 통해 높은 Li-이온 수송 경로를 제공한다; 및 (4) Al2O3 코팅은 경우에 따라 Li 금속과 접촉하는 Li2CO3 형성 및 가넷 분해를 방지할 수 있고, 가넷/Li 계면 안정성 및 관찰된 전기적 특성을 유지한다. 이러한 나노스케일 계면 엔지니어링은 높은 에너지 밀도, 안전한 모든 SSLiBs에 대해 Li 금속과 SSE 사이에 계면 문제를 해결하기 위한 일반적인 전략을 제공한다.The innovative strategy was developed to address the interfacial problem between Li metal anodes and Garnet-type LLCZN solid electrolytes for all SSLiBs. The ultra-thin ALD coating of Al 2 O 3 effectively reduced the DC interface ASR from 606 Ω ·
방법. 물질 합성. LLCZN 가넷 전해질은 졸-겔 방법을 통해 합성되었다. 초기 물질은 La(NO3)3 (99.9%, Alfa Aesar), ZrO(NO3)2 (99.9%, Alfa Asear), LiNO3(99%, Alfa Aesar), NbCl5 (99.99%, Alfa Aesar) 및 Ca(NO3)2 (99.9%, Sigma Aldrich)이었다. 화학물질의 화학양론적 양이 탈이온수에 용해되고, 10% 초과의 LiNO3 가 첨가되어 높은 온도에서 합성하는 동안 리튬 휘발을 보상했다. 시트르산 및 에틸렌 글리콜(몰비 1:1)이 용액에 첨가되었다. 이러한 용액을 핫플레이트 상에서 서서히 증발시키고, 교반에 의해서 전구체 겔을 생성하고, 10 시간동안 400℃로 가열하고 유기물을 연소시켰다. 이후, 얻어진 분말을 볼밀링하고 펠렛으로 가압하고 800℃에서 10 시간 동안 소성했다. 이어서, 합성된 분말을 단축으로 펠렛으로 가압되고, 동일한 분말로 덮여진 알루미나 보트 내에서 1050℃에서 12시간 동안 소결했다. 2.54, 1.27, 0.79 cm의 직경을 갖는 얻어진 LLCZN 펠렛은 미세한 샌드페이퍼 #200, #500, 및 #1200 (LECO)를 사용하여 부드러운 표면으로 약 150-200 ㎛의 두께로 균일하게 연마했다.Way. Material synthesis. LLCZN Garnett electrolytes were synthesized by sol - gel method. The initial materials were La (NO 3 ) 3 (99.9%, Alfa Aesar), ZrO (NO 3 ) 2 (99.9%, Alfa Asear), LiNO 3 (99%, Alfa Aesar), NbCl 5 And Ca (NO 3 ) 2 (99.9%, Sigma Aldrich). The stoichiometry of the chemical was dissolved in deionized water, and over 10% of LiNO 3 was added to compensate for lithium volatilization during synthesis at high temperatures. Citric acid and ethylene glycol (molar ratio 1: 1) were added to the solution. This solution was slowly evaporated on a hot plate, a precursor gel was formed by stirring, heated to 400 DEG C for 10 hours, and the organics were burned. Then, the obtained powder was ball-milled, pressed with pellets, and fired at 800 DEG C for 10 hours. The synthesized powder was then uniaxially pelletized and sintered at 1050 DEG C for 12 hours in an alumina boat covered with the same powder. The resulting LLCZN pellets having diameters of 2.54, 1.27 and 0.79 cm were uniformly polished to a thickness of about 150-200 μm with a soft surface using
특성화. SEM(주사형 전자 현미경)은 Hitachi SU-70 분석 주사형 전자 현미경으로 수행되었다. 상 분석은 40 kV 및 40 mA에서 작동되는 Cu Kα 조사원을 사용해서 D8 Advanced with LynxEye and SolX (Bruker AXS, WI, USA)상에서 분말 X선 회절법(XRD)로 수행되었다.Characterization. SEM (Scanning Electron Microscope) was performed with a Hitachi SU-70 analytical scanning electron microscope. Phase analysis was carried out by powder X-ray diffraction (XRD) on a D8 Advanced with LynxEye and SolX (Bruker AXS, Wis., USA) using a Cu K? Radiation source operated at 40 kV and 40 mA.
LLCZN 전해질 펠렛의 원자층 증착법. 원자층 증착법은 Al2O3 증착법의 BeneqTFS 500로 수행되었다. 150℃에서 고밀도 질소는 전체 공정에 대해 캐리어 기체로서 사용되었다. 일반적으로, 1 nm Al2O3 코팅에 대해, 10 ALD 사이클이 수행되었다. 각각의 사이클은 순수한 질소 가스 유동(4 및 10초, 캐리어 및 세정 가스)에 의해서 분리된 트리메틸알루미늄(TMA, 4 sec, Al 전구체) 및 물(4 sec, 산화제)의 또 다른 유동을 포함했다. Al2O3의 초박막 층은 원자력 현미경(AFM)으로 Si 웨이퍼 상에 대조에 따라서 평가되었다.Atomic Layer Deposition of LLCZN Electrolyte Pellets. The atomic layer deposition method was performed with BeneqTFS 500 of Al 2 O 3 deposition method. At 150 캜, high density nitrogen was used as the carrier gas for the entire process. Generally, for a 1 nm Al 2 O 3 coating, 10 ALD cycles were performed. Each cycle included another flow of trimethylaluminum (TMA, 4 sec, Al precursor) and water (4 sec, oxidant) separated by pure nitrogen gas flow (4 and 10 sec, carrier and scrubbing gas). The ultra-thin layer of Al 2 O 3 was evaluated by atomic force microscopy (AFM) on Si wafers according to control.
Li 금속 코팅된 LLCZN의 조립. 박막 Li 호일 디스크(0.8 cm 직경 및 0.2 mm 두께)를, 초고순수 Ar로 충진된 글로브박스 내에서 ALD-Al2O3 처리된 LLCZN 펠렛 상에 놓고, 이어서 적층된 Li/LLCZN 펠렛을 250℃에서 60분간 가열하고, 스테인레스 스틸 디스크(각 1.5 g) 6개에 의해 0.26 psi의 압력을 적용한다. 이러한 작은 압력은, 가넷 표면 상에서 용융된 리튬의 초기 접촉을 돕는 것으로 추정되었다. 대조군에 대해, 새롭게 연마된 LLCZN 펠렛은 동일한 절차를 통해 리튬 금속과 함께 조립되었다. 실온으로 냉각한 후, 박막 리튬 디스크를 펠렛 상에 접착시켰다. 주사형 전자 현미경(SEM)은 트위저에 의해서 분리함으로써 얻어진 샘플의 단면에 대해 수행되었다.Assembly of Li metal coated LLCZN. Thin film Li foil disks (0.8 cm diameter and 0.2 mm thickness) were coated in a glove box filled with ultrahigh pure Ar with ALD-Al 2 O 3 Is placed on the treated LLCZN pellets and then the stacked Li / LLCZN pellets are heated at 250 캜 for 60 minutes and a pressure of 0.26 psi is applied by six stainless steel disks (1.5 g each). This small pressure was presumed to help the initial contact of the molten lithium on the garnet surface. For the control, the freshly polished LLCZN pellets were assembled with the lithium metal through the same procedure. After cooling to room temperature, a thin film lithium disk was adhered onto the pellet. A scanning electron microscope (SEM) was performed on the section of the sample obtained by separation by a tweezer.
제1 원리 산출. 제1 원리 산출은 고밀도 기능성 이론에 Perdew-Burke-Ernzerhof의 일반 구배 근사(generalized-gradient approximation , GGA) 으로 프로젝터 증강된 웨이브 접근법(projector augmented-wave approach)에서 비엔나 제1 시뮬레이션 패키지(VASP)를 사용해서 수행되었다. 큰 잠재적인 상태도의 물질 엔트리는 물질 프로젝트 데이터베이스로부터 얻어졌다. 비정질 Li 금속의 슬래브 및 Li2CO3 또는 리튬화된 알루미나의 슬래브를 포함하는 계면 모델은, 30 ps 동안 513K에서 제1 분자 역학 시뮬레이션을 사용해서 평형화되었다. 결합에너지는 계면의 에너지로부터 분리된 표면 슬래브의 에너지를 뺀 값으로서 산출되었다.First principle calculation. First principles calculations use the Vienna First Simulation Package (VASP) in a projector augmented-wave approach with a generalized-gradient approximation (GGA) of Perdew-Burke-Ernzerhof in high density functional theory. . Material entries of large potential state diagrams were obtained from the material project database. An interfacial model comprising a slab of amorphous Li metal and a slab of Li 2 CO 3 or lithiated alumina was equilibrated using a first molecular dynamic simulation at 513 K for 30 ps. The bond energy was calculated by subtracting the energy of the surface slab separated from the energy of the interface.
실시예 2Example 2
다음 예는 본 개시내용의 계면층의 제작의 일례를 제공한다.The following example provides an example of the fabrication of the interfacial layer of the present disclosure.
이러한 예는 가넷 기반 SSE에 초점을 맞추지만, 그 외의 SSE 화학물질에 공지기술이 적용 가능한 것으로 기대된다. 낮은 계면 임피던스 고체상 배터리를 얻기 위해서, 다음의 기술적인 문제를 해결하는 것이 바람직할 수 있다: 전하 전달 및 수송을 위한 큰 계면 임피던스; 및 전기화학적 충방전 사이클에 의해서 계면의 기계적 열화.These examples focus on Garnet-based SSE, but are expected to be applicable to other SSE chemicals. In order to obtain a low interface impedance solid state battery, it may be desirable to solve the following technical problems: a large interface impedance for charge transfer and transport; And the mechanical deterioration of the interface by an electrochemical charge-discharge cycle.
가넷 및 LFMO 전극의 EIS의 계면이 특성화되었다. 가넷 펠렛의 표면 상의 구조가 계면 임피던스를 줄이는 것을 알 수 있다. PFPE 비연소성 용매가 제조되고, PFPE/LiTFSI 전해질이 시험되고, 0-4.2 volts (v)의 전압 영역에서 전기화학적으로 안정한 것을 알 수 있다. PVDF-HFP 겔 멤브레인이 제조되고, 겔 멤브레인 내의 이온성 액체 전해질의 안정성 및 임피던스가 시험되었다.The interface of EIS of Garnet and LFMO electrodes was characterized. It can be seen that the structure on the surface of the garnet pellets reduces the interface impedance. A PFPE non-combustible solvent is prepared, the PFPE / LiTFSI electrolyte is tested, and is found to be electrochemically stable in the voltage range of 0-4.2 volts (v). A PVDF-HFP gel membrane was prepared and the stability and impedance of the ionic liquid electrolyte in the gel membrane were tested.
전해질/캐소드 계면의 특성화, LLCZN 고체상 전해질의 임피던스 및 LFMO 전극의 계면 임피던스가 시험되었다. 방법 및 결과는 다음과 같이 나타낸다.The characterization of the electrolyte / cathode interface, the impedance of the LLCZN solid state electrolyte and the interface impedance of the LFMO electrode were tested. The method and results are as follows.
LLCZN (Li6 . 8(La2.95,Ca0.05)(Zr1 . 75,Nb0 . 25)O12) 가넷은 다음과 같이 합성되었다: LLZO- CaNb는 종래의 고체상 반응에 의해서 제조되었다. 초기 물질, Li(OH), La(OH)3, Ca(OH)2, ZrO2, 및 Nb2O5은 평판 볼밀링에 의해서 혼합된 후 700℃에서 48시간(h) 동안 소성되었다. 첨가제로서의 Li3BO3 분말은, 600℃에서 Li2CO3 및 B2O3의 혼합물을 가열해서 제조되었다. 소성된 LLZO-CaNb 분말은, 평판 볼밀링에 의해 첨가제(Al2O3 및 Li3BO3 둘 다, Al2O3 단독 또는 Li3BO3 단독)와 혼합되었다. 혼합물은 10 MPa 에서 펠렛으로 다이 가압되고 공기 중에서 40 h 동안 790℃에서 소결되었다. LLCZN (... Li 6 8 (La 2.95, Ca 0.05) (
Li2FeMn3O8 (LFMO)의 합성. LFMO는 변경된 문헌에 따라 합성되었다. 간략하게, 글리신-니트레이트 혼합물 용액은, 먼저 리튬 니트레이트, 철 니트레이트, 망간 니트레이트(2:1:3, 몰비) 및 글리신을 탈이온수 중에 용해함으로써 제조되었다. 니트레이트 대 글리신의 몰비는 2:1이다. 이후, LFMO 분말은 300℃에서 글리신-니트레이트 용액의 연소 반응 후, 700℃에서 2시간 어닐링에 의해서 얻어졌다.Synthesis of Li 2 FeMn 3 O 8 (LFMO). LFMO was synthesized according to the modified literature. Briefly, the glycine-nitrate mixture solution was first prepared by dissolving lithium nitrate, iron nitrate, manganese nitrate (2: 1: 3, molar ratio) and glycine in deionized water. The molar ratio of nitrate to glycine is 2: 1. Then, the LFMO powder was obtained by annealing at 700 ° C for 2 hours after the combustion reaction of the glycine-nitrate solution at 300 ° C.
배터리 조립 및 전기화학적 시험. 산소 및 수분에 대한 Li 금속의 민감성으로 인해, 대칭 셀 및 전체 셀을 포함한 모든 셀은, 0.1 및 0.01 ppm 하의 수분 및 산소 레벨을 갖고 초고순수 아르곤(99.999%)으로 충진된 글로브박스에서 조립되고 시험되었다. 일반적인 LLCZN/Li조립에서, Li 호일은 약 0.2 mm로 가압된 후, 직경 0.79 cm를 갖는 얇은 디스크로 펀칭되었다. 얇은 Li 호일 디스크는 한 쌍의 플라스틱 트위저로 일측 또는 양측에 ALD-Al2O3 코팅된 LLCZN 펠렛 상에 분산되고 서서히 가압되었다. 6개 스테인레스 스틸(총 9 g)은 Li 호일 상에 놓았다. 이어서, 적층된 Li/ALD-Al2O3 코팅된 LLCZN/Li 셀이 글로브 박스 내 오븐 내에 놓고, 이어서 250℃에서 1시간 동안 가열한 후 실온까지 자연 냉각했다. LLCZN/Li가 사용할 준비가 되어 있다. 스테인레스 스틸은 전류 집전체로서 사용되었다. 캐소드 디스크는 글로브박스 외측에서 제조되었다. 합성된 LFMO은 NMP (용매, N-메틸-2-피롤리돈) 중 80:10:10의 질량비로 탄소 블랙 및 PVDF와 철저히 혼합되었다. 이러한 혼합물이 깨끗하고 평평한 Al 호일 상에 코팅되었다. 공기 중에서 건조 후, 캐소드 슬러리로 코팅된 Al 호일을 진공 오븐 내에 놓고 110℃에서 밤새 건조했다. 캐소드 디스크(직경 0.79 cm)로 펀칭했다. 마이크로밸런스(Sartorius)로 질량 측정을 실시했다. 전체 셀은 Li/ALD-Al2O3-LLCZN 펠렛의 베어 측 상에 캐소드 디스크를 놓고 조립하였고, 소량의 고압 유기 전해질이 캐소드와 LLCZN 펠렛 사이에 액체 계면층으로서 첨가되었다. 조립된 셀은 전기 케이블과 연결된 앨리게이터 클립을 사용하여 고정했다. 셀은 모든 시험 중에 글로브박스에서 유지되었다. 이러한 시험은 실온에서(23 -25℃)에서 글로브박스로부터 피드스루(feedthrough)를 통해 BioLogic 배터리 테스터로 수행되었다. 컷 전압은 3.5V 및 5.3V이고 전류밀도는 0.1C(1C=150 mA/g)이다.Battery assembly and electrochemical testing. Due to the sensitivity of Li metal to oxygen and moisture, all cells, including symmetric cells and all cells, are assembled in a glove box filled with ultra pure argon (99.999%) with moisture and oxygen levels below 0.1 and 0.01 ppm and tested . In a typical LLCZN / Li assembly, the Li foil was pressed to about 0.2 mm and then punched into a thin disk having a diameter of 0.79 cm. Li thin foil disk was distributed on one pair to a plastic tweezer-Al 2 O 3 coating on ALD one or both sides of LLCZN pellets and pressed gently. Six stainless steel (9 g in total) was placed on a Li foil. Then, the laminated Li / ALD-Al 2 O 3 coating LLCZN / Li cell is placed in an oven the glove box, followed by natural cooling to room temperature at 250 ℃ After heating for 1 hour. LLCZN / Li is ready for use. Stainless steel was used as current collector. The cathode disk was manufactured outside the glove box. The synthesized LFMO was thoroughly mixed with carbon black and PVDF in a mass ratio of 80:10:10 in NMP (solvent, N-methyl-2-pyrrolidone). This mixture was coated on clean, flat Al foil. After drying in air, the Al foil coated with the cathode slurry was placed in a vacuum oven and dried overnight at 110 ° C. And punched with a cathode disk (0.79 cm in diameter). Mass measurements were made with Microbalance (Sartorius). The whole cell was assembled by placing the cathode disk on the bare side of the Li / ALD-Al 2 O 3 -LLCZN pellets, and a small amount of high pressure organic electrolyte was added as a liquid interface layer between the cathode and LLCZN pellets. The assembled cell was secured using an alligator clip connected to an electric cable. The cell was kept in the glove box during all tests. These tests were performed with a BioLogic battery tester via feedthrough from a glovebox at room temperature (23-25 ° C). The cut voltage is 3.5 V and 5.3 V and the current density is 0.1 C (1 C = 150 mA / g).
겔 및 PFPE 기반 물질의 합성 및 특성화. 비연소성 PFPE 기반 전해질. PFPE-DMC는 다음 단계에 의해 제조되었다. 우선, 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄 중의 플루오로링크 D10(fluorolink D10) 및 트리에탈아민은 교반 조건 및 질소 분위기 하에서 0℃에서 용해된 후, 1,1,1,3,3- 펜타플루오로부탄 중의 메틸 클로로포르메이트의 용액을 적하했다. 혼합물을 25℃에서 12 시간 동안 교반한 후, PFPE-DMC 생성물은 여과 및 물 및 염수로 세정한 후, 환원 분위기 하에서 증발시켜서 얻었다. PFPE-DMC 전해질은 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드를 PFPE-DMC 중에 용해하고 가넷 멤브레인 내에 진공 충진하여 제조되고, 이는 가넷 전해질과 캐소드 물질 사이의 중간층으로서 역할을 한다.Synthesis and Characterization of Gel and PFPE Based Materials. Nonflammable PFPE based electrolyte. PFPE-DMC was prepared by the following steps. First, fluorolink D10 and triethalamine in 1,1,1,3,3-pentafluorobutane were dissolved at 0 DEG C under stirring conditions and under a nitrogen atmosphere, and then 1,1,1, A solution of methyl chloroformate in 3,3-pentafluorobutane was added dropwise. After the mixture was stirred at 25 占 폚 for 12 hours, the PFPE-DMC product was obtained by filtration, washing with water and brine, and then evaporating under reducing atmosphere. The PFPE-DMC electrolyte is prepared by dissolving lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide in PFPE-DMC and vacuum-filling it in a garnet membrane, which serves as an intermediate layer between the garnet electrolyte and the cathode material.
CR2025 코인 셀 내에 조립된 Li/PFPE/Ti 구조를 사용하여 PFPE/LiTFSI 전해질의 순환 전압 전류법 (CV)을 시험하였다. 셀의 면적은 1.98 ㎠ (반경=5/16 인치)이고, 티타늄 캐소드의 면적은 0.712 ㎠ (반경=5/32 인치)이다. 전압 범위는 -0.3~4.2 V이고, 전압 주사 속도는 1 mV/s이다.The cyclic voltammetry (CV) of the PFPE / LiTFSI electrolyte was tested using an assembled Li / PFPE / Ti structure in the CR2025 coin cell. The area of the cell is 1.98 cm 2 (radius = 5/16 inch) and the area of the titanium cathode is 0.712 cm 2 (radius = 5/32 inch). The voltage range is -0.3 to 4.2 V and the voltage scan rate is 1 mV / s.
반응 전류 밀도는 0.3~4.2V 영역 내의 0.002 mA 미만이고, 매우 작다. 처음의 몇 개의 사이클 후, CV 곡선은 안정하게 된다. 이러한 2개의 사실에 따르면, PFPE 전해질은 0-4 V 사이에서 전기화학적으로 안정한 것을 나타낸다. 또한, PFPE 전해질에 대해, -0.3 ~ 4.2 V의 전압 영역에서 명백한 피크가 나타나지 않고, 이는 4.2V보다 높은 전압에서 Li 박리가 발생하고, -0.3V보다 낮은 전압에서 Li 플래팅(platting)이 발생하는 것을 의미한다. 0~4.2 V의 전압 범위에서 PFPE/LiTFSI의 전기화학적 안정성은, 이러한 전해질이 LLCZN 가넷 전해질 리튬 이온 배터리의 반응에서 안정한 것을 보장하고 가넷과 캐소드 사이의 계면층으로서 사용될 수 있다.The reaction current density is less than 0.002 mA in the region of 0.3 to 4.2 V and is very small. After several initial cycles, the CV curve becomes stable. According to these two facts, the PFPE electrolyte is electrochemically stable between 0-4 V. Also, for the PFPE electrolyte, no apparent peak appears in the voltage range of -0.3 to 4.2 V, which results in Li peeling at a voltage higher than 4.2 V and Li plating at a voltage lower than -0.3 V . The electrochemical stability of PFPE / LiTFSI in the voltage range of 0 to 4.2 V ensures that this electrolyte is stable in the reaction of the LLCZN garnet electrolyte lithium ion battery and can be used as an interface layer between garnet and cathode.
겔 기반 전해질. PVDF-HFP 기반 겔 폴리머는 다음 단계에 의해서 제조되었다: 0.25 g PVDF-HFP는 1h 동안 연속적 교반 하에서 4.75 g 아세톤 및 0.25 g DI 수 (95:5, m/m)의 혼합물에 용해되었다. 용액은 Al 호일 상에 캐스팅되고, 용매는 주변 온도에서 증발되었다. 도 12는 PVDF-HFP 겔 멤브레인의 (a)화학식, 및 (b) 상면 및 (c) 측면 SEM 이미지를 도시한다. 2h 동안 100℃에서 진공하에서 건조한 후 균질한 독립적인 멤브레인이 얻어졌다.Gel based electrolyte. A PVDF-HFP based gel polymer was prepared by the following steps: 0.25 g PVDF-HFP was dissolved in a mixture of 4.75 g acetone and 0.25 g DI water (95: 5, m / m) for 1 h under continuous stirring. The solution was cast on an Al foil, and the solvent was evaporated at ambient temperature. Figure 12 shows the (a) chemical formula of the PVDF-HFP gel membrane, (b) the top surface and (c) the lateral SEM image. After drying for 2 h at 100 < 0 > C under vacuum, a homogeneous independent membrane was obtained.
제조된 다공성 멤브레인이, 0.1 ppm 미만의 물 및 산소 함량을 갖는 아르곤-충진된 글로브 박스 내에서 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르와 n-메틸-(n-부틸) 피롤리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (Py14TFSI)의 1:1 체적비의 혼합물 중의 1 M LiTFSI 내에서 실온에서 30분간 액침되었다.The prepared porous membrane was prepared by mixing tetraethylene glycol dimethyl ether and n-methyl- (n-butyl) pyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide in an argon-filled glove box with water and oxygen content of less than 0.1 ppm ) Imide (Py14TFSI) in 1 M LiTFSI in a 1: 1 volume ratio mixture at room temperature for 30 minutes.
셀의 순환 전압 전류법(CV) 시험은 리튬과 티타늄 디스크 사이에 폴리머 겔 전해질 멤브레인을 개재하고 이러한 구성을 CR2032 코인 셀 내에 밀봉하도록 설정되었다. 1 mV/s의 주사 속도에서 순환 전압 전류법에 따르면, 이러한 폴리머 겔 전해질의 안정한 전기화학적 윈도우가 최대 4.2 V인 것을 제안한다. -0.2V에서 샤프한 피크가 Li 도금에 대응하고, 0.1 V 주위의 피크는 Li 박리에 의한 것이다.The cyclic voltammetry (CV) test of the cell was set up to seal the polymer gel electrolyte membrane between the lithium and titanium disk and this configuration in the CR2032 coin cell. According to cyclic voltammetry at a scanning rate of 1 mV / s, it is suggested that the stable electrochemical window of this polymer gel electrolyte is at most 4.2 V. A sharp peak corresponds to Li plating at -0.2 V, and a peak around 0.1 V is due to Li peeling.
도 13은 LLCZN 전해질/LFMO 캐소드 계면에서 임피던스의 감소에 대한 겔 폴리머의 효과를 도시한다. 프리스틴 LLCZN 전해질/LFMO 캐소드는, 300 kΩ×㎠의 큰 저항을 나타내고, 이는 중간 및 낮은 주파수 범위에서 전해질 및 캐소드의 벌크 저항, 또한 전해질과 캐소드 사이의 상당한 계면 저항으로 이루어진다. 겔 계면층의 도입은, 높은 Li-이온 전도 경로, 전해질과 캐소드 사이의 등각 및 탄성 접촉을 제공하고, 확대 플롯에서 중간 주파수 범위에 도시된 바와 같이 계면 저항의 큰 감소로 이어진다. 또한, EIS 곡선은 상이한 형상을 도시하고, 이는 낮은 주파수에서 Warburg-타입 임피던스로 이루어지고, 금 차단(gold blocking) 전극의 용량 거동에 대응한다.Figure 13 illustrates the effect of gel polymer on impedance reduction at the LLCZN electrolyte / LFMO cathode interface. The Pristin LLCZN electrolyte / LFMO cathode exhibits a large resistance of 300 k [Omega] x cm < 2 >, which is the bulk resistance of the electrolyte and cathode at medium and low frequency ranges, and also the significant interface resistance between the electrolyte and cathode. The introduction of the gel interfacial layer provides a high Li-ion conduction path, conformal and elastic contact between the electrolyte and the cathode and leads to a large reduction in interfacial resistance as shown in the mid-frequency range in the magnification plot. In addition, the EIS curve shows a different shape, which is made of Warburg-type impedance at low frequencies and corresponds to the capacitance behavior of the gold blocking electrode.
LLCZN 가넷 전해질과 LFMO 전극 사이의 계면 임피던스가 시험되었고, 가넷 펠렛의 표면 상의 구조가 계면 임피던스를 감소시킬 수 있는 것을 알 수 있다.The interface impedance between the LLCZN garnet electrolyte and the LFMO electrode has been tested and it can be seen that the structure on the surface of the garnet pellet can reduce the interface impedance.
PVDF-HFP 겔 멤브레인이 제작되고, SEM 하에서 바람직한 기공 구조를 도시한다. 사이클 전기화학적 시험에 따르면, 겔 전해질이 0-4.2V 사이에 전기화학적 안정한 것을 나타낸다. 이것은, 가넷 전해질과 LFMO 캐소드 사이의 계면층으로서 사용될 수 있는 것을 의미한다. LLCZN/겔/LFMO의 EIS가 시험되었다. 전체 임피던스는 계면층 없이 LLCZN/LFMO 시스템에 비해 감소시켰다.A PVDF-HFP gel membrane is fabricated and shows the preferred pore structure under SEM. The cycle electrochemical test shows that the gel electrolyte is electrochemically stable between 0-4.2V. This means that it can be used as an interface layer between the garnet electrolyte and the LFMO cathode. The EIS of LLCZN / gel / LFMO was tested. The overall impedance was reduced compared to the LLCZN / LFMO system without interfacial layer.
또한, PFPE 비연소성 전해질이 제작되었다. Li/PFPE/Ti 시스템의 사이클 전기화학적 시험에 따르면, 이러한 전해질은 0-4.2v 사이에 안정한 것을 나타내고, 이는, 가넷 전해질과 LFMO 캐소드 사이의 계면으로서 사용될 수 있는 것을 의미한다.In addition, a non-flammable PFPE electrolyte was prepared. According to cycle electrochemical tests of the Li / PFPE / Ti system, this electrolyte is stable between 0-4.2v, which means that it can be used as an interface between the garnet electrolyte and the LFMO cathode.
실시예 3Example 3
다음의 예는 본 개시내용의 계면층의 제작의 일례를 제공한다.The following example provides an example of the fabrication of the interfacial layer of the present disclosure.
본원에 개시된 계면의 엔지니어링 방법에 기초해서, SSLiB는 Li 금속 애노드, 가넷 전해질 및 고전압 캐소드를 사용해서 성공적으로 설계되고 작동되었다. 이러한 구조는 애노드 (금속 산화물) 및 캐소드 (폴리머/이온 전도성 액체)에 대해 상이한 계면층을 갖는다. 이러한 구조의 전기적 특성은 도 11에 도시된다.Based on the interfacial engineering method disclosed herein, SSLiB has been successfully designed and operated using Li metal anodes, garnet electrolytes and high voltage cathodes. This structure has a different interface layer for the anode (metal oxide) and the cathode (polymer / ionic conductive liquid). The electrical characteristics of this structure are shown in Fig.
Li2FeMn3O8 (LFMO)의 합성. LFMO은 변경된 문헌에 따라 합성되었다. 간략하게, 글리신-니트레이트 용액은, 먼저 리튬 니트레이트, 철 니트레이트, 망간 니트레이트 (2:1:3, 몰비) 및 글리신을 탈이온수에 용해하여 제조되었다. 니트레이트와 글리신의 몰비는 2;1이다. 이어서, 300℃에서 글리신-니트레이트 용액의 연소반응 후 700℃에서 2시간 어닐링에 의해 LFMO 분말이 얻어졌다.Synthesis of Li 2 FeMn 3 O 8 (LFMO). LFMO was synthesized according to the modified literature. Briefly, the glycine-nitrate solution was first prepared by dissolving lithium nitrate, iron nitrate, manganese nitrate (2: 1: 3, molar ratio) and glycine in deionized water. The molar ratio of nitrate to glycine is 2: 1. Then, after the combustion reaction of the glycine-nitrate solution at 300 占 폚, LFMO powder was obtained by annealing at 700 占 폚 for 2 hours.
배터리 조립 및 전기화학적 시험. 산소 및 수분에 대해 Li 금속의 민감성으로 인해, 대칭 셀 및 완전한 셀을 포함한 모든 셀은 0.1 및 0.01 ppm 미만의 수분 및 산소 레벨로 초고압 순수 아르곤(99.999%)이 충진된 글로브박스에서 조립되고 시험하였다. 일반적인 LLCZN/Li 조립에서, Li 호일은 약 0.2 mm로 가압한 후, 직경 0.79 cm의 박막 디스크로 펀칭했다. 박막 Li 호일 디스크는 한 쌍의 플라스틱 트위저로 일측 또는 양측에 ALD-Al2O3 코팅된 LLCZN 펠렛 상에 분산되고 서서히 가압되었다. 6개의 스테인레스 스틸(총 9g)을 Li 호일 상에 놓았다. 이어서 적층된 Li/ALD-Al2O3 코팅된 LLCZN/Li 셀을 글로브박스 내에 오븐 내 놓았고, 250℃에서 1시간 동안 가열한 후 실온으로 자연 냉각했다. LLCZN/Li는 사용할 준비가 되어 있다. 스테인레스 스틸은 전류 집전체로서 사용되었다. 캐소드 디스크는 글로브박스 외측에서 제조되었다. 합성된 LFMO는 NMP(용매, N-메틸-2-피롤리돈) 내 80:10:10 의 질량비로 탄소 블랙 및 PVDF과 철저히 혼합되었다. 이러한 혼합물이 깨끗하고 평평한 Al 호일 상에 코팅되었다. 공기 중 건조 후, 캐소드 슬러리 코팅된 Al 호일은 진공 오븐 내에 놓고 110℃에서 밤새 건조하였다. 캐소드 디스크 (0.79 cm 직경) 로 펀칭되었다. 질량 측정은 마이크로밸런스(Sartorius)로 수행되었다. Li/ALD-Al2O3-LLCZN 펠렛의 베어 측 상에 캐소드 디스크를 놓아서 전체 셀을 조립하고, 소량의 고압 유기 액체 전해질은 액체 계면층으로서 캐소드와 LLCZN 펠렛 사이에 첨가되었다. 조립된 셀은 전기 케이블과 연결된 앨리게이터 클립을 사용하여 고정되었다. 셀은 모든 시험 동안 글로브박스 내에서 유지되었다. 시험은 글로브박스로부터 피드스루를 통해 실온(23 내지 25℃)에서 BioLogic 배터리 테스터로 수행되었다. 컷 전압은 3.5 V 및 5.3 V이고 전류 밀도는 0.1 C (1C=150 mA/g)이다. Battery assembly and electrochemical testing. Due to the sensitivity of Li metal to oxygen and moisture, all cells including symmetric cells and complete cells were assembled and tested in a glove box filled with ultrahigh pressure pure argon (99.999%) at moisture and oxygen levels of less than 0.1 and 0.01 ppm . In a typical LLCZN / Li assembly, the Li foil was pressed to about 0.2 mm and then punched into a thin film disk with a diameter of 0.79 cm. Li thin foil disk was distributed on one pair to a plastic tweezer-Al 2 O 3 coating on ALD one or both sides of LLCZN pellets and pressed gently. Six stainless steel (9g in total) was placed on the Li foil. Then laid out the oven the Li / ALD-Al 2 O 3 coating stack LLCZN / Li cell in a glovebox, and then heated at 250 ℃ was cool naturally to room temperature. LLCZN / Li is ready for use. Stainless steel was used as current collector. The cathode disk was manufactured outside the glove box. The synthesized LFMO was thoroughly mixed with carbon black and PVDF in a mass ratio of 80:10:10 in NMP (solvent, N-methyl-2-pyrrolidone). This mixture was coated on clean, flat Al foil. After drying in air, the cathode slurry coated Al foil was placed in a vacuum oven and dried overnight at 110 ° C. And punched with a cathode disk (0.79 cm diameter). Mass measurements were performed with microbalance (Sartorius). Li / ALD-Al 2 O 3 -LLCZN by placing the cathode disc onto the bare side and assemble all the cells, a small amount of high-pressure liquid organic electrolyte of the pellets was added between the cathode and LLCZN pellets as liquid interface layer. The assembled cell was secured using an alligator clip connected to an electric cable. The cells were kept in the glove box for all tests. The test was performed from the glove box through the feedthrough at room temperature (23-25 ° C) with a BioLogic battery tester. The cut voltage is 3.5 V and 5.3 V and the current density is 0.1 C (1 C = 150 mA / g).
Li 금속 애노드 및 ALD 코팅된 LLCZN을 갖는 작용 셀 (예를 들면, 도 10(a)). 개발된 Li 금속 애노드와 가넷 전해질 사이의 효과적인 계면은 잠재적으로 광범위한 고에너지 밀도 Li-이온 배터리를 가능하게 할 수 있다. 가넷 전해질은 최대 6V에 안정하기 때문에, Li2FeMn3O8 (LFMO)의 고전압 화학은 캐소드 물질로서 선택되었다. LFMO, 탄소 블랙 (CB), 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF, 바인더)를 포함하는 캐소드 전극은, Al 호일 상의 종래의 슬러리 코팅에 의해 제조되었다. 캐소드 복합재와 가넷 계면 사이의 계면을 개선하기 위해, 소량의 액체 유기 전해질이 첨가되어 캐소드/전해질 계면층을 형성했다. 매우 플루오로화된 용매 중에 1.0 M LiPF6을 용해하여 제조된 유기 전해질은 최대 4.8 V까지 안정한 것이 알려져 있다. 시험은 초고순수 아르곤으로 충진된 글로브박스 내에 밀봉되지 않은 전체 셀로 수행되었다. 도 10(b)는 0.1 C (1C=150 mA/g)에서 제1 사이클의 전압 프로파일을 나타낸다. 잘 정의된 정체기의 2개의 그룹은, 방전에 대해 4.0 V 및 4.9 V, 충전에 대해 4.1 V 및 5.0 V에서 관찰되고, 작용 전체 셀 및 Li 금속 애노드를 작은 과-전위(0.1V)로 실증한다. 셀은 제1 사이클에서 쿨롱 효율 83%를 갖고 용량 103 mAh/g(LFMO의 70% 이론적인 특이적 용량)을 전달한다. 다음 5개 사이클에 대해, 일반적으로 분해된 용량(도 10(c))은 계면층에서 휘발성 유기 용매의 증발에 의한 것이다. 그럼에도 불구하고, 6개 사이클은 또한 LFMO의 특이적 정체기를 나타냈다(도 10(b)). 셀 시험은, 6번째 사이클 후 정지되고 계면층의 새로운 유기 전해질로 리필 후 다시 시작되었다. 예상된 바와 같이, 셀은 즉시 회수되고 용량은 잘 정의된 충방전 정체기로 고유값의 87%까지 증가했다(도 10(b),(c)). 도 10(d)는 작용 셀의 사진을 도시하고, 발광 다이오드(LED)에 전력을 공급한다.A working cell having a Li metal anode and an ALD coated LLCZN (e.g., Fig. 10 (a)). The effective interface between the developed Li metal anode and Garnett electrolyte can enable a potentially wide range of high energy density Li-ion batteries. Since Garnett's electrolyte is stable at a maximum of 6V, the high-voltage chemistry of Li 2 FeMn 3 O 8 (LFMO) was chosen as the cathode material. A cathode electrode comprising LFMO, carbon black (CB), and polyvinylidene fluoride (PVDF, binder) was prepared by conventional slurry coating on Al foil. To improve the interface between the cathode composite and the garnet interface, a small amount of liquid organic electrolyte was added to form a cathode / electrolyte interface layer. It is known that organic electrolytes prepared by dissolving 1.0 M LiPF 6 in a highly fluorinated solvent are stable up to 4.8 V. The test was carried out on an entire unsealed cell in a glove box filled with ultra-pure argon. 10 (b) shows the voltage profile of the first cycle at 0.1 C (1C = 150 mA / g). Two groups of well-defined congeals were observed at 4.0 V and 4.9 V for discharge, 4.1 V and 5.0 V for charge, demonstrating the action all cells and the Li metal anode as small over-potentials (0.1 V) . The cell has a coulombic efficiency of 83% in the first cycle and delivers a capacity of 103 mAh / g (70% theoretical specific capacity of LFMO). For the next five cycles, the generally degraded capacity (Figure 10 (c)) is due to the evaporation of volatile organic solvents in the interface layer. Nonetheless, the six cycles also exhibited a specific conformation of LFMO (Fig. 10 (b)). The cell test was stopped after the sixth cycle and resumed after refilling with a new organic electrolyte in the interfacial layer. As expected, the cell was immediately recovered and the capacity increased to 87% of the eigenvalue with a well defined charge / discharge geometry (Fig. 10 (b), (c)). 10 (d) shows a photograph of the working cell and supplies power to the light emitting diode (LED).
본 개시내용은 하나 이상의 특정한 실시형태에 대해 개시되지만, 본 개시내용의 기타 실시형태가 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 행해지는 것이 이해된다. 따라서, 본 개시내용은 수반한 청구범위 및 합리적인 해석에 의해서 제한되는 것으로 보인다.It is understood that the present disclosure is directed to one or more specific embodiments, but it is understood that other embodiments of the present disclosure may be made without departing from the scope of the present disclosure. Accordingly, the present disclosure appears to be limited by the accompanying claims and reasonable interpretations.
Claims (17)
An inorganic or organic interfacial layer having a thickness of 1 nm to 100 nm in contact with at least a portion of a solid electrolyte (SSE) material, or one or all surfaces of a solid electrolyte (SSE) material.
상기 SSE 물질은, 리튬 페로브스카이트 물질, Li3N, Li-β-알루미나, 리튬 수퍼 이온 전도체 (LISICON), Li2 . 88PO3 . 86N0 .14 (LiPON), Li9AlSiO8, Li10GeP2S12, 리튬 가넷 SSE 물질, 도핑된 리튬 가넷 SSE 물질, 리튬 가넷 복합재 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 리튬-이온 전도성 SSE 물질을 포함하는, 무기 또는 유기 계면층.
The method according to claim 1,
The SSE material may be a lithium perovskite material, Li 3 N, Li-? - alumina, lithium super ion conductor (LISICON), Li 2 . 88 PO 3 . 86 N 0 .14 (LiPON), Li 9 AlSiO 8, Li 10 GeP 2 S 12, lithium SSE garnet material, lithium-doped garnet SSE material, lithium composite garnet material, and at least one selected from lithium combinations thereof ion-conducting An inorganic or organic interfacial layer comprising an SSE material.
상기 SSE 물질은 β''-Al2O3, Na4Zr2Si2PO12 (NASICON), 양이온-도핑된 NASICON, 및 이들의 조합으로부터 선택된 나트륨-이온 전도성 SSE 물질을 포함하는, 무기 또는 유기 계면층.
The method according to claim 1,
The SSE material is β '' - Al 2 O 3 , Na 4 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON), cation-doped NASICON, and their sodium selected from the op-ion conductivity, including SSE substance, inorganic or organic Interfacial layer.
상기 SSE 물질은 Mg1 +x(Al,Ti)2(PO4)6, NASICON-타입 마그네슘-이온 전도성 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택된 마그네슘-이온 전도성 SSE 물질인, 무기 또는 유기 계면층.
The method according to claim 1,
Wherein the SSE material is a magnesium-ion conductive SSE material selected from Mg 1 + x (Al, Ti) 2 (PO 4 ) 6 , a NASICON-type magnesium-ion conductive material, and combinations thereof.
상기 무기 계면층은 Al2O3, TiO2, V2O5, Y2O3, 및 이들의 조합으로부터 선택된 금속 산화물인, 무기 또는 유기 계면층.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the inorganic interfacial layer is a metal oxide selected from Al 2 O 3 , TiO 2 , V 2 O 5 , Y 2 O 3 , and combinations thereof.
상기 무기 계면층은 연질의 무기 물질인, 무기 또는 유기 계면층.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the inorganic interfacial layer is a flexible inorganic material.
상기 유기 계면층은, i) 폴리머, ii) 하나 이상의 리튬 염 및 폴리머를 포함하는 겔 물질, 또는 iii) 리튬 염 및 하나 이상의 용매를 포함하는 이온 전도성 유기 물질인, 무기 또는 유기 계면층.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the organic interfacial layer is an ion conductive organic material comprising i ) a polymer, ii ) a gel material comprising at least one lithium salt and a polymer, or iii ) a lithium salt and at least one solvent.
A device comprising at least one interface layer as claimed in any one of claims 1 to 7.
상기 디바이스는, 고체상 이온 전도성 배터리이고, SSE 물질, 캐소드 물질, 및 애노드 물질을 더 포함하는, 디바이스.
9. The method of claim 8,
Wherein the device is a solid state ion conductive battery and further comprises an SSE material, a cathode material, and an anode material.
상기 고체상 이온 전도성 배터리는 리튬-이온 전도성 고체상 배터리이고, 상기 계면층은 제2항에 기재된 계면층인, 디바이스.
10. The method of claim 9,
Wherein the solid phase ionically conductive battery is a lithium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is the interface layer according to claim 2.
상기 고체상 이온 전도성 배터리는 나트륨-이온 전도성 고체상 배터리이고, 상기 계면층은 제3항에 기재된 계면층인, 디바이스.
10. The method of claim 9,
Wherein the solid phase ionically conductive battery is a sodium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is the interface layer according to claim 3.
상기 고체상 이온 전도성 배터리는 마그네슘-이온 전도성 고체상 배터리이고, 상기 계면층은 제4항에 기재된 계면층인, 디바이스.
10. The method of claim 9,
Wherein the solid phase ionically conductive battery is a magnesium-ion conductive solid state battery, and the interface layer is the interface layer according to claim 4.
상기 캐소드 물질은, 리튬-함유 캐소드 물질, 임의로 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질, 및 폴리설파이드 물질로부터 선택되고/선택되거나, 상기 애노드 물질은 리튬 금속, 실리콘, 임의로 유기 또는 겔 이온 전도성 전해질을 더 포함하는 전도성 탄소 물질, 및 공기로부터 선택되는, 디바이스.
11. The method of claim 10,
Wherein the cathode material is selected and / or selected from a conductive carbon material further comprising a lithium-containing cathode material, optionally an organic or gel ion conductive electrolyte, and a polysulfide material, or wherein the anode material is a lithium metal, A conductive carbon material further comprising an ion conductive electrolyte, and air.
상기 캐소드 물질은 나트륨-함유 캐소드 물질, 황, 황 복합재 물질, 및 폴리설파이드 물질로부터 선택되고/선택되거나, 상기 애노드 물질은 이온 전도성 나트륨-함유 애노드 물질, 나트륨 금속, 주석, 인, 및 공기로부터 선택되는, 디바이스.
12. The method of claim 11,
Wherein the cathode material is selected and / or selected from a sodium-containing cathode material, a sulfur, a sulfur composite material, and a polysulfide material, wherein the anode material is selected from an ion conductive sodium-containing anode material, sodium metal, tin, Device.
상기 캐소드 물질은 마그네슘 함유 캐소드 물질이고/이거나, 상기 애노드 물질은 마그네슘 금속인, 디바이스.
13. The method of claim 12,
Wherein the cathode material is a magnesium containing cathode material and / or the anode material is a magnesium metal.
상기 고체상 이온 전도성 배터리는 캐소드 측 전류 집전체 및/또는 애노드 측 전류 집전체를 더 포함하는, 디바이스.
16. The method according to any one of claims 9 to 15,
Wherein the solid state ion conductive battery further comprises a cathode side current collector and / or an anode side current collector.
상기 계면층, 상기 SSE 물질, 이온 전도성 캐소드 물질, 상기 이온 전도성 애노드 물질, 및 하나 이상의 전류 집전체는 셀을 형성하고, 상기 고체상 이온 전도성 배터리는 복수의 셀을 형성하고, 상기 셀의 각각 인접한 쌍은 바이폴라 플레이트에 의해서 분리되는, 디바이스.17. The method according to any one of claims 9 to 16,
Wherein the interface layer, the SSE material, the ion conductive cathode material, the ion conductive anode material, and the at least one current collector form a cell, the solid phase ion conductive battery forms a plurality of cells, each adjacent pair Is separated by a bipolar plate.
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